DE102013107742A1

DE102013107742A1 - Generator

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Publication number: DE102013107742A1
Application number: DE102013107742.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Es wird ein Generator, umfassend – eine erste Einheit mit mindestens einem Paar magnetisch leitenden Kontaktelementen, – eine zweite Einheit mit mindestens einem Paar Segmenten und mindestens einem Paar Magneten, wobei Segmente und Magneten einander abwechselnd derart angeordnet sind, dass die Nord- bzw. Südpole der Magneten zueinander gerichtet sind, wobei jedes Segment zwei miteinander verbundene, magnetisch leitende Parallelpfadelemente aufweist, – eine Spule, die zwischen zwei miteinander verbundenen Parallelpfadelementen angeordnet ist, – einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit zueinander, angegeben, bei dem ein Kontaktelement 14a, 14b jeweils zwei an zwei unterschiedlichen Segmenten 18a, 18b benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b zugeordnet ist und angrenzend an diese Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b derart angeordnet ist, dass das Kontaktelement 14a, 14b und die jeweiligen Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b derart relativ zueinander bewegbar sind, dass das Kontaktelement 14a, 14b entweder mit beiden Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b oder mit keinem der beiden Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b in magnetisch leitendem Kontakt steht. Der Generator lässt sich verlustarm betreiben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Generator, umfassend eine erste Einheit mit mindestens einem Paar Kontaktelementen, eine zweite Einheit mit mindestens einem Paar Segmenten und mindestens einem Paar Magneten, wobei Segmente und Magneten einander abwechselnd derart angeordnet sind, dass die Nord- bzw. Südpole der Magneten zueinander gerichtet sind, wobei jedes Segment zwei miteinander verbundene Parallelpfadelemente aufweist. Der Generator umfasst weiterhin eine Spule, die zwischen zwei miteinander verbundenen Parallelpfadelementen angeordnet ist, und einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit zueinander.
Generatoren wandeln mechanische bzw. kinetische Energie mittels elektrischer Induktion in elektrische Energie um. Die kinetische Energie wird dem Generator beispielsweise in Form einer Rotations- oder einer Linearbewegung zugeführt, wobei sich beispielsweise ein Rotor bzw. ein Kolben senkrecht zu einem Magnetfeld bewegt. Der Generator weist eine Spule auf, in der durch die Bewegung eine Spannung induziert wird.
Aus der WO 2008/119055 A1 ist eine elektromechanische Vorrichtung mit Permanentmagneten bekannt, die als Motor oder Generator fungieren kann. Die Permanentmagneten und Spulen sind abwechselnd auf einem ringförmigen Stator angeordnet, der einen Rotor umgibt, der durchgehend magnetisch leitend ist. Die Nord- bzw. Südpole der Permanentmagneten sind zueinander gerichtet. Der Stator weist Fortsätze auf, die in Richtung des Rotors weisen, und der Rotor weist korrespondierende Fortsätze auf, die in Richtung des Stators weisen. Für den Generatorbetrieb wird der Rotor zu einer Rotationsbewegung in der Ebene des Stators angetrieben, wobei sich die Fortsätze des Stators und des Rotors zeitweise gegenseitig kontaktieren können. Dadurch bilden sich Parallelpfade für den magnetischen Fluss aus, über die die Permanentmagneten überbrückt werden können. Durch die Änderung des magnetischen Flusses wird in den Spulen eine Spannung induziert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen Generator anzugeben, der verlust- und verschleißarm angetrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Generator, umfassend

– eine erste Einheit mit mindestens einem Paar magnetisch leitenden Kontaktelementen,
– eine zweite Einheit mit mindestens einem Paar Segmenten und mindestens einem Paar Magneten, wobei Segmente und Magneten einander abwechselnd derart angeordnet sind, dass die Nord- bzw. Südpole der Magneten zueinander gerichtet sind, wobei jedes Segment zwei miteinander verbundene, magnetisch leitende Parallelpfadelemente aufweist,
– eine Spule, die zwischen zwei miteinander verbundenen Parallelpfadelementen angeordnet ist,
– einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit zueinander,

Die Position, in der das Kontaktelement in magnetisch leitendem Kontakt mit den ihm zugeordneten Parallelpfadelementen steht, wird im folgenden auch als Kontaktposition des Kontaktelements bezeichnet. Ist das Kontaktelement in der Kontaktposition, entsteht ein geschlossener Umlauf des magnetischen Flusses in eine erste Richtung über die Parallelpfadelemente und das angrenzend an diese angeordnete Kontaktelement in Kontaktposition, welche einen Parallelpfad zu dem Magneten, der bevorzugt gegenüber dem Kontaktelement angeordnet ist, bilden, sowie über die Segmente und den mindestens einen weiteren Magneten. Der magnetische Fluss fließt somit auch durch die Spule, wodurch eine Spannung in der Spule induziert wird. Werden das Kontaktelement und die ihm zugeordneten Parallelpfadelemente derart relativ zueinander bewegt, dass der magnetisch leitende Kontakt aufgehoben wird, wird dadurch der magnetische Fluss durch die Spule geändert, so dass erneut eine Spannung in der Spule induziert wird. Die Relativbewegung des Kontaktelements und der ihm zugeordneten Parallelpfadelemente zueinander ist im Wesentlichen senkrecht zu den magnetischen Flusslinien des oder der Magneten, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu den aus den Polflächen des jeweiligen Magneten, die den größten Abstand voneinander haben, austretenden Flusslinien. Des weiteren kann, wenn durch die zweite Einheit oder die Segmente der zweiten Einheit eine Ebene gebildet wird, die Relativbewegung des Kontaktelements und der ihm zugeordneten Parallelpfadelemente zueinander im Wesentlichen senkrecht zu dieser Ebene sein. Hier und im folgenden steht das Kontaktelement mit den ihm zugeordneten Parallelpfadelementen in magnetisch leitendem Kontakt, d.h. in der Kontaktposition, wenn der Abstand zwischen dem Kontaktelement und den ihm zugeordneten Parallelpfadelementen so klein ist, dass ein magnetischer Fluss durch die Spule fließt. Eine geöffnete Stellung des Kontaktelements ist hier und im folgenden so definiert, dass das Kontaktelement mit keinem der beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen in magnetisch leitendem Kontakt steht. Es können auch mehrere Spulen auf einem Segment oder auf mehrere Segmente verteilt angeordnet sein.
Ein Vorteil des Generators ist, dass sich eine Bewegung des Kontaktelements und der ihm zugeordneten Parallelpfadelemente relativ zueinander auf verschiedene Art und Weise realisieren lässt, so dass nicht zwingend Antrieb für eine Rotation um beispielsweise 360° nötig ist, welcher mit hohen Verlusten und Verschleiß behaftet ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit zueinander im Wesentlichen senkrecht zu den magnetischen Flusslinien des oder der Magneten. Dadurch wirken der Relativbewegung relativ geringe Kräfte entgegen, so dass die Antriebskraft bestmöglich ausgenutzt werden kann. Daher kann der Antrieb mit relativ geringen Verlusten betrieben werden und somit ist ein möglichst großer Wirkungsgrad erzielbar. Der Generator kann durch entsprechende Dimensionierung und/oder Kaskadierung von mehreren Generatoren die gewünschte Leistung erbringen. Für den Generator lässt sich ein flexibler und kostengünstiger Aufbau realisieren, da die Segmente angepasst an geometrische Gegebenheiten beim Anwender angeordnet werden können. Die Hauptvoraussetzung für die Anordnung der Segmente ist, dass ein geschlossener Umlauf für den magnetischen Fluss entstehen kann. Es ist ausreichend, wenn das Kontaktelement in dem Bereich magnetisch leitend ausgestaltet ist, in dem es mit den ihm zugeordneten Parallelpfadelementen in Kontakt kommt. Es entsteht kein magnetischer Fluss über die gesamte erste Einheit. Die erste Einheit kann somit auch in Leichtbauweise ausgestaltet werden, wodurch die Kraft, die zur Bewegung der ersten Einheit aufzuwenden ist, reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jedes Kontaktelement jeweils zwei an zwei unterschiedlichen Segmenten benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelementen zugeordnet und angrenzend an diese Parallelpfadelemente derart angeordnet, dass jedes Kontaktelement und die jeweiligen Parallelpfadelemente derart relativ zueinander bewegbar sind, dass mindestens ein Kontaktelement entweder mit beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen oder mit keinem der beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen in magnetisch leitendem Kontakt steht. Bei dieser Ausführungsform ist durch jedes der Kontaktelemente ein Herstellen einer Kontaktposition oder einer geöffneten Stellung möglich, wodurch der magnetische Fluss durch die Spule geändert wird, so dass eine Spannung in der Spule induziert wird. Es können sich alle Kontaktelemente gleichzeitig in magnetisch leitendem Kontakt mit den ihnen zugeordneten Parallelpfadelementen befinden oder es können alle Kontaktelemente gleichzeitig in der geöffneten Stellung sein. Bevorzugt steht jeweils mindestens ein Kontaktelement in magnetisch leitendem Kontakt mit den beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen und mindestens ein weiteres Kontaktelement mit keinem der beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelemente in magnetisch leitendem Kontakt, wenn die Kontaktelemente und die ihnen zugeordneten Parallelpfadelemente relativ zueinander bewegt werden. Auf diese Weise kann eine Richtungsänderung des magnetischen Flusses durch die Spule erreicht werden, die sich danach richtet, welches der Kontaktelemente in eine Kontaktposition bewegt wird. Durch die Richtungsänderung des magnetischen Flusses durch die Spule wird wiederum eine Spannung in der Spule induziert. Die Richtungen des magnetischen Flusses durch die Spule sind jeweils einander entgegengesetzt. Durch wiederholtes, abwechselndes Kontaktieren der jeweils benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelemente durch das jeweils angrenzend an diese Parallelpfadelemente angeordnete, diesen zugeordnete Kontaktelement wird der magnetische Fluss durch die Spule immer wieder geändert und somit eine Wechselspannung induziert. In der Kontaktposition muss kein unmittelbarer Kontakt zwischen Kontakt- und Parallelpfadelementen bestehen.
Vorteilhafterweise ist die erste oder zweite Einheit zur Ausführung einer Auf- und Abbewegung ausgestaltet. Die Auf- und Abbewegung ermöglicht eine Kontaktposition von jeweils mindestens einem Kontaktelement in den jeweiligen Endpositionen der Bewegung, so dass eine magnetische Flussänderung erreicht wird. Da bei der Auf- und Abbewegung der Kraftvektor des Antriebs im Wesentlichen parallel zu dieser Bewegung ist, kann sie verlustarm angetrieben werden. Ist die erste Einheit zur Ausführung einer Auf- und Abbewegung ausgestaltet, muss für die Auf- und Abbewegung weniger Kraft eingesetzt werden, da die zu bewegende Masse der ersten Einheit bei entsprechender Bauweise, z.B. Leichtbauweise, geringer sein kann als die der zweiten Einheit. Durch eine Anordnung des Antriebs in unmittelbarer Nähe zur ersten bzw. zur zweiten Einheit, um die Auf- und Abbewegung zu erzeugen, lässt sich eine besonders kompakte Bauweise des Generators realisieren.
Bevorzugt ist die erste oder zweite Einheit zur Ausführung einer Schwenkbewegung um eine in einer im Wesentlichen durch die zweite Einheit gebildeten Ebene verlaufende Schwenkachse ausgestaltet. Die Ebene wird im Wesentlichen durch die Anordnung der Segmente definiert. Die Schwenkbewegung hat zwei Endpositionen, in denen jeweils eine Kontaktposition eines der Kontaktelemente erreicht wird, so dass durch Schwenken von der einen in die andere Endposition eine magnetische Flussänderung erzeugt wird. Eine Schwenkbewegung kann mit minimaler Rotation um nur wenige Grad um die Schwenkachse ausgeführt und damit verlustarm angetrieben werden. Ein zum Öffnen bzw. Schließen der Kontakte nötiger Hub kann dabei sehr gering, d. h. im Millimeterbereich oder darunter, sein.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist die erste oder zweite Einheit zur Ausführung einer linearen Bewegung ausgestaltet. Eine lineare Bewegung lässt sich im Vergleich zu einer Rotationsbewegung besonders verlustarm antreiben, da keine zusätzliche Kraft für das Drehmoment aufgewendet werden muss. Durch fehlende Rotationskomponenten kann auch ein damit zusammenhängender Verschleiß des Antriebs vermieden werden. Um die Kontakte bei einer linearen Bewegung zu öffnen bzw. zu schließen und dadurch eine Spannung in der Spule zu induzieren, reicht ein minimaler Hub, beispielsweise im Millimeterbereich oder darunter, aus.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Antrieb zur Ausführung einer Bewegung mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 3 kHz, bevorzugt zwischen 10 Hz und 100 Hz, ausgestaltet. Eine solche Bewegung ermöglicht magnetische Flussänderungen in schneller Folge und damit eine in der Spule quasi permanent induzierte Spannung. Durch die Erhöhung der Frequenz der Bewegung kann die Leistung des Generators erhöht werden, da eine größerer Strommenge in einer bestimmten Zeitspanne erzeugt wird.
Vorzugsweise umfasst der Generator 2N Segmente und 2N Magneten, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist. Durch eine Mehrzahl von Segmenten und Magneten kann die Leistung des Generators erhöht werden. Indem eine gradzahlige Anzahl von Segmenten und Magneten, die abwechselnd überbrückt werden können, kann besonders effizient Strom, insbesondere homogener Wechselstrom gewonnen werden.
Besonders bevorzugt weist der Generator 3N Spulen auf, wobei N eine ganze Zahl größer als 0 ist. Es können auch mehrere Spulen auf einem Segment oder auf mehrere Segmente verteilt angeordnet sein. Dann kann jeweils eine gleiche Anzahl an Spulen einer Phase eines dreiphasigen Drehstroms zugeordnet werden, so dass die in den Spulen induzierte Spannung symmetrisch als Drehstrom eingespeist werden kann.
Vorteilhafterweise sind pro Magnet jeweils zwei Paar Parallelpfadelemente vorgesehen, denen jeweils ein Kontaktelement zugeordnet und angrenzend daran angeordnet ist. Dadurch kann sich der magnetische Fluss über zwei Parallelpfade verteilen, so dass die Flussdichte auf jedem Parallelpfad geringer wird. Dadurch kann vermieden werden, dass die Kontaktelemente und Parallelpfadelemente ihre hohe magnetische Leitfähigkeit verlieren, wie es bei sehr hohen Flussdichten der Fall sein kann.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind die Magneten Permanentmagneten. Für Permanentmagneten wird kein Stromfluss benötigt, um ein Magnetfeld für die Induktion zu erzeugen, so dass hierfür keine weiteren Energieverluste, die den Wirkungsgrad des Generators verringern könnten, zu veranschlagen sind.
Bevorzugt sind die Parallelpfadelemente und die Kontaktelemente zumindest teilweise aus einem weichen magnetischen Material. Dadurch sind die Parallelpfad- und Kontaktelemente nicht dauernd magnetisiert, sondern nur wenn sie sich im Magnetfeld des Magneten befinden. Zur Entmagnetisierung reicht ein schwaches Gegenfeld aus. Außerdem wird in der Kontaktposition ein hoher magnetischer Fluss über das Kontaktelement und die Parallelpfadelemente erreicht, während bereits durch einen geringen Abstand des Kontaktelements zu den Parallelpfadelementen in einer geöffneten Stellung des Kontaktelements ein hoher Widerstand entsteht.
Vorteilhafterweise sind mindestens zwei Parallelpfadelemente und das jeweils diesen zugeordnete und angrenzend daran angeordnete Kontaktelement geschichtet aus weichem magnetischen und nicht magnetischen Material ausgeformt. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine relativ geringe Relativbewegung, die der Dicke der Schichten aus weichem magnetischen Material und nicht magnetischem Material entspricht, des Kontaktelements und der Parallelpfadelemente, d. h. der ersten und zweiten Einheit, zueinander nötig, um eine Kontaktposition herbeizuführen oder diese wieder in eine geöffnete Stellung aufzulösen. Der Vektor der Relativbewegung schneidet die Flusslinien des Magneten dabei im Wesentlichen senkrecht. In der Kontaktposition gehen die aus weichem magnetischen Material geformten Schichten der Parallelpfadelemente in die des Kontaktelements über. In der geöffneten Stellung sind die Schichten der Parallelpfadelemente und des Kontaktelements versetzt zueinander, so dass die nicht magnetischen Schichten des Kontaktelements an die Schichten aus weichem magnetischen Material der Parallelpfadelemente stoßen. Je geringer die Relativbewegung, desto kleiner ist der Hub des Antriebs und desto höher kann die Frequenz der Bewegung sein. Dabei ist wiederum die Leistung um so größer, je höher die Frequenz ist.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind mindestens zwei Parallelpfadelemente und das jeweils diesen zugeordnete und daran angrenzend angeordnete Kontaktelement zueinander korrespondierend konisch und/oder stufenförmig ausgeformt. Diese Ausführungsformen ermöglichen einen gleichmäßigen Abstand des Kontaktelements zu den Parallelpfadelementen in der geöffneten Stellung und einen gleichmäßigen Kontakt bzw. Abstand der Flächen des Kontaktelementes und der Parallelpfadelemente in der Kontaktposition. Dadurch wird der Hub des Antriebs sehr genau einstellbar und kann auf ein möglichst geringes Maß verkleinert werden. Bei der stufenförmigen Ausformung werden die magnetischen Flusslinien des Magneten bei Bewegung des Kontaktelements und der Parallelpfadelemente relativ zueinander im Wesentlichen senkrecht geschnitten. Dadurch ist die Bewegung auch ziemlich genau parallel zu dem Kraftvektor des Antriebs, aus dem die Bewegung resultiert, wodurch bei dieser Ausführungsform eine besonders hohe Effizienz der Bewegung erreicht wird. Auch andere Formen der Kontaktelemente und der Parallelpfadelemente sind möglich, beispielsweise ein Parallelpfadelement mit einer geraden Seite und ein Parallelpfadelement mit einer abgeschrägten Seite und beispielsweise dazwischen angeordnet ein Kontaktelement mit einem entsprechend keilförmigen Querschnitt.
Vorteilhafterweise ist jedes zweite Kontaktelement in eine erste Richtung aus einer durch die zweite Einheit gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit angeordnet, und die übrigen Kontaktelemente sind in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, aus der durch die zweite Einheit gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit angeordnet. Dies ermöglicht eine minimale Relativbewegung der ersten zur zweiten Einheit und somit einen möglichst geringen Hub. Dadurch kann eine hohe Frequenz der Bewegung und demzufolge eine hohe Leistung des Generators erreicht werden.
Bevorzugt umfasst der Antrieb mindestens einen Fluidmuskel. Ein Fluidmuskel umfasst eine flexible, druckdichte Membran, die einen Schlauch bildet. Unter Druck, d. h. wenn der Fluidmuskel mit einem Fluid befüllt wird, verkürzt er sich. Dabei vergrößert sich der Durchmesser des Fluidmuskels. Die Kraft eines Fluidmuskels ist proportional zu seiner Umfangsfläche. Mit einem Fluidmuskel können daher Zugkräfte ausgeübt werden. Fluidmuskeln haben eine hohe Anfangskraft mit hoher Kraftübertragung, die z.B. in etwa beim zehnfachen eines Pneumatikzylinders mit gleichem Querschnitt liegt, wenn die Läge des Fluidmuskels dem zehnfachen des Querschnitts des Pneumatikzylinders entspricht, so dass Haltekräfte, die in der Kontaktposition auf das Kontaktelement wirken und mit größer werdendem Abstand zwischen Parallelpfadelement und daran angrenzend angeordnetem Kontaktelement bzw. bei kleiner werdender aneinanderliegender Fläche bei geschichteten Kontakt- und Parallelpfadelementen schnell abnehmen, leicht überwunden werden können. Mit Fluidmuskeln können deswegen hohe Frequenzen bei der Relativbewegung der ersten zur zweiten Einheit und dementsprechend eine hohe Leistung aufgrund schneller magnetischer Flussänderungen erreicht werden. Alternativ können auch beispielsweise Linearvibratoren als Antrieb eingesetzt werden.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens ein erster Fluidmuskel und ein zweiter Fluidmuskel oder mindestens ein Fluidmuskel und mindestens ein Federelement derart angeordnet, dass die Kontaktelemente durch eine Zugkraft des ersten bei einer Ruhestellung des zweiten Fluidmuskels bzw. gegen eine Rückstellkraft des Federelements aus einer Ruheposition bewegbar sind. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige, kontinuierliche Schwenkbewegung oder eine Auf- und Abbewegung der Einheiten relativ zueinander erreicht werden. Dabei weisen die Zugkräfte der einander entgegen gerichteten Fluidmuskel bevorzugt jeweils die gleiche Größe auf. Die Zugkraft des Fluidmuskels, dem ein Federelement entgegen gerichtet ist, ist größer als die Summe aus Federkraft des Federelements und Haltekraft des Kontaktelements in der Kontaktposition. Die Rückstellkraft des Federelements muss größer sein als die Haltekraft des Kontaktelements in der Kontaktposition, wobei der Fluidmuskel nicht aktiv ist, d.h. keine Zugkraft ausübt.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist mindestens ein Kontaktelement in der Ruheposition in magnetisch leitendem Kontakt mit den Parallelpfadelementen angeordnet. Dadurch entsteht eine größtmögliche magnetische Flussänderung, sobald das Kontaktelement aus der Ruheposition bewegt wird, so dass eine entsprechend hohe Spannung induziert wird.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist pro Kontaktelement ein Fluidmuskel vorgesehen, wobei der oder jeder Fluidmuskel derart im Bereich des Kontaktelements angeordnet ist, dass das Kontaktelement aus einer Ruheposition bewegbar ist. Die Zugkraft des Fluidmuskels wirkt dann direkt auf das Kontaktelement und kann beispielsweise Haltekräften, die auf das Kontaktelement in magnetisch leitendem Kontakt mit den Parallelpfadelementen wirken, leicht entgegenwirken. Die Frequenz der Relativbewegung der ersten zur zweiten Einheit lässt sich dann besonders hoch einstellen.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Fluidmuskel mit einem Füllkörper gefüllt. Dadurch kann das Volumen im Inneren des Fluidmuskels verkleinert werden, so dass zur Ausdehnung des Fluidmuskels weniger Fluid benötigt wird. Auf diese Weise lässt sich der Fluidmuskel effizienter betreiben.
Der oben beschriebene Generator und seine bevorzugten Ausführungsformen lassen sich alternativ auch als Motor betreiben, indem die Spule oder Spulen bestromt wird. Ein derartiger Motor eignet sich beispielsweise zur Erzeugung von kleinen, schnellen Auf- und Abbewegungen, z.B. in Form von Vibrationen.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 schematisch vereinfacht eine Seitenansicht eines Generator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 schematisch vereinfacht einen Teil des Generators aus 1 in einer ersten Variante in einer Draufsicht in einer ersten Kontaktposition;
3 den Generator aus 2 in einer zweiten Kontaktposition;
4 schematisch vereinfacht einen Teil des Generator aus 1 in einer zweiten Variante in einer Draufsicht;
5 schematisch vereinfacht eine Seitenansicht des Generators aus 4 gemäß der Variante aus 4;
6 schematisch vereinfacht eine Seitenansicht des Generators aus 4 gemäß einer dritten Variante;
7 schematisch vereinfacht eine Detailzeichnung eines Teils des Generators aus 4;
8 schematisch vereinfacht einen Schnitt durch den Teil des Generators aus 7 an der Schnittlinie B-B aus 7;
9 schematisch vereinfacht eine dritte Variante des Generators aus 1 in einer Draufsicht;
10 schematisch vereinfacht einen Schnitt durch den Generator aus 9 an der Schnittlinie A-A aus 9;
11 schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator mit vier Magneten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator mit vier Magneten und einer Schwenkachse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator mit sechs Magneten gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer ersten Relativposition;
14 den Generator aus 13 in einer zweiten Relativposition;
15 schematisch vereinfacht einen Schnitt durch den Generator aus 13 an der Schnittlinie A-A aus 13 mit Parallelpfadelementen und Kontaktelementen gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung in einer ersten Kontaktposition;
16 schematisch vereinfacht einen Schnitt durch den Generator aus 14 an der Schnittlinie A-A aus 14 mit Parallelpfadelementen und Kontaktelementen gemäß der ersten Variante in einer zweiten Kontaktposition;
17 schematisch vereinfacht zwei Parallelpfadelemente und ein Kontaktelement gemäß einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung in einer geöffneten Stellung;
18 schematisch vereinfacht die Parallelpfadelemente und das Kontaktelement aus 17 in einer geschlossenen Stellung;
19 schematisch vereinfacht zwei Parallelpfadelemente und ein Kontaktelement gemäß einer dritten Variante der vorliegenden Erfindung in einer geöffneten Stellung;
20 schematisch vereinfacht die Parallelpfadelemente und das Kontaktelement aus 19 in einer geschlossenen Stellung;
21 schematisch vereinfacht einen Fluidmuskel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den 1, 2 und 3 ist ein Generator 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht (1) und in einer ersten Variante in einer Draufsicht (2 und 3) dargestellt. Der Generator 10 umfasst einen Rahmen 11 mit einem Ober- und Unterteil 13, 15 und Seitenteilen 17, an denen eine erste Einheit 12 und eine zweite Einheit 16 angeordnet sind. In 2, 3 und weiteren folgenden Draufsichten wird der Rahmen 11 für eine bessere Ansicht nicht dargestellt. Die erste Einheit 12 umfasst ein Paar Kontaktelemente 14a, 14b und die zweite Einheit 16 ein Paar Segmente 18a, 18b und ein Paar Magneten 20a, 20b, welche im hier dargestellten Beispiel als Permanentmagneten ausgestaltet sind. Alternativ können die Magneten in den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen auch als Elektromagneten, d. h. als stromdurchflossene Spulen, ausgeführt sein. Die Segmente 18a, 18b und Magneten 20a, 20b sind einander abwechselnd angeordnet, wobei die Nord- und Südpole der Magneten 20a, 20b, zueinander gerichtet sind. Jedes Segment 18a, 18b weist zwei Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b auf, die über einen Zwischenabschnitt 30a, 30b miteinander verbunden sind. Die Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b können einstückig mit den Zwischenabschnitten 30a, 30b ausgeformt sein oder einzeln daran angeformt sein. Um beide Zwischenabschnitte 30a, 30b ist eine Spule 32a, 32b gewickelt. Alternativ kann auch nur eine einzige Spule um einen der Zwischenabschnitte 30a, 30b gewickelt sein oder es können jeweils mehrere Spulen um einen Zwischenabschnitt gewickelt sein. Je größer die Gesamtanzahl der Windungen der Spulen, die die zweite Einheit umfasst, desto mehr Strom kann der Generator erzeugen. Ist die Anzahl der Spulen, die die zweite Einheit 16 umfasst, durch drei teilbar, lässt sich jeweils für die gleiche Anzahl an Spulen der durch die in den Spulen induzierte Spannung erzeugte Strom auf eine Phase eines dreiphasigen Drehstroms bringen. Dadurch lässt sich der in den Spulen erzeugte Strom besonders einfach symmetrisch als Drehstrom einspeisen.
Der Generator 10 umfasst außerdem einen Antrieb 34 zur Erzeugung einer Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit 12, 16 zueinander. Im hier dargestellten Beispiel bewegt sich die erste Einheit 12 relativ zur zweiten Einheit 16. Auch in den folgenden Ausführungsbeispielen ist dies so realisiert. Es kann aber auch eine Bewegung der zweiten Einheit 16 bei statischer erster Einheit 12 oder eine Bewegung von erster und zweiter Einheit 12, 16 realisiert werden. Der Antrieb 34 kann beispielsweise vier Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b (Fluidmuskel 50b nicht dargestellt) umfassen, die gegenläufig arbeiten, um eine Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit 12, 16 zu erzeugen. Die Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b sind in dem hier dargestellten Beispiel jeweils mit einem Ende an der ersten Einheit 12 und mit dem anderen Ende am Ober- bzw. Unterteil 13, 15 des Rahmens 11 befestigt und ermöglichen so eine Bewegung der ersten Einheit 12, während die zweite Einheit 16 statisch ist. Die Fluidmuskeln 50a, 50b sind in 1 nicht sichtbar, da sie in der Seitenansicht durch die Fluidmuskeln 36a, 36b verdeckt werden. In den Draufsichten in 2 und 3 sind jeweils nur die am Oberteil 13 des Rahmens 11 befestigten Fluidmuskeln 36a, 50a sichtbar, die anderen Fluidmuskeln 36b, 50b sind durch die erste Einheit 12 verdeckt. Durch die Anordnung der Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b zwischen dem Rahmen 11 und der ersten Einheit 12, d.h. in unmittelbarer Nähe zur ersten und zweiten Einheit 12, 16, lässt sich der Antrieb 34 sozusagen in den Generator integrieren. Der Generator 10 ist daher relativ kompakt ausgestaltet.
Die Kontaktelemente 14a, 14b sind jeweils zwei an den Segmenten 18a, 18b benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b zugeordnet und angrenzend an diese Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b, im hier darstellten Beispiel zwischen diesen Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b, angeordnet. Außerdem sind die Kontaktelemente 14a, 14b im hier dargestellten Beispiel und gegenüber einem zwischen diesen Segmenten 18a, 18b befindlichen Magneten 20a, 20b angeordnet. Sie sind an einer Haltevorrichtung 28 angeordnet, die Teil der ersten Einheit 12 ist und die über die Magneten 20a, 20b hinausragt, so dass die Kontaktelemente 14a, 14b zwischen den Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b angeordnet sind. Die Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b sind hier als Prisma mit dreieckiger Grundfläche ausgestaltet, aber auch beliebige andere Formen, beispielsweise Quader oder Formen mit gebogenen Seitenflächen sind für Parallelpfadelemente möglich.
Die erste Einheit 12 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine in der durch die zweite Einheit 16 gebildeten Ebene verlaufende Schwenkachse 35. Die Ebene wird im Wesentlichen durch die Segmente 18a, 18b der zweiten Einheit 16 gebildet. Die Schwenkachse 35 verläuft im hier dargestellten Beispiel durch das Zentrum der Haltervorrichtung 28, so dass die Haltevorrichtung 28 in zwei gleich lange Teile geteilt ist. Die Schwenkachse 35 erlaubt eine Schwenkbewegung der ersten Einheit 12, bei der die Kontaktelemente 14a, 14b durch die auf beiden Seiten der ersten Einheit 12 angeordneten Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b im Wesentlichen senkrecht zur durch die zwei Segmente 18a, 18b aufgespannten Ebene abwechselnd in eine Kontaktposition mit den jeweiligen, ihnen zugeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b bewegbar sind. Das heißt, sie sind derart bewegbar, dass eines der Kontaktelemente 14a, 14b mit beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b in magnetisch leitendem Kontakt steht und eines der Kontaktelemente 14a, 14b mit keinem der beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b. Die Schwenkbewegung umfasst eine Rotation um die Schwenkachse im Bereich von bevorzugt etwa –10° bis +10°, besonders bevorzugt –5° bis +5°, ganz besonders bevorzugt –3° bis +3° oder kleiner, relativ zur durch die zwei Segmente 18a, 18b gebildeten Ebene. Der Rotationsgrad ist auch abhängig von der Länge des Hebels, d.h. im Wesentlichen von der Länge der Haltevorrichtung 28. Es sei darauf hingewiesen, dass je nach baulichen Anforderungen benachbarte Segmente oder insgesamt die zweite Einheit nicht zwingend eine bestimmte Ebene definieren müssen.
Die Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b sind im in 2 und 3 dargestellten Beispiel derart im Bereich der beiden Teile der Haltevorrichtung 28 angeordnet, dass sie jeweils abwechselnd eins der Kontaktelemente 14a, 14b aus einer Ruheposition bewegen und/oder aus einem leitenden Kontakt mit den Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b, zwischen denen sie angeordnet sind, herausziehen. Wenn eines der Kontaktelemente 14a, 14b aus der Kontaktposition gezogen wird, wird dabei das jeweils andere Kontaktelement 14a, 14b in Kontaktposition mit denjenigen Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b, zwischen denen es angeordnet ist, bewegt. Die Kontaktposition wird erreicht, sobald sich die Richtung des magnetischen Flusses durch die Spule ändert, d.h. gegebenenfalls auch dann, wenn noch ein Luftspalt zwischen dem Kontaktelement 14a, 14b und den ihm zugeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b besteht. Um beispielsweise das erste Kontaktelement 14a in eine erste Kontaktposition des Generators 10 zu bewegen, wie in 2 dargestellt, übt der entsprechend angeordnete Fluidmuskel 36a über die Haltevorrichtung 28 eine Zugkraft auf das zweite Kontaktelement 14b aus und zieht dieses in eine erste Endposition. Gleichzeitig übt der an der Haltevorrichtung 28 in der Nähe des ersten Kontaktelements 14a angeordnete Fluidmuskel 50b über die Haltevorrichtung 28 in entgegen gesetzte Richtung zu dem Fluidmuskel 36a eine Zugkraft auf das erste Kontaktelement 14a aus und zieht dieses in eine Kontaktposition. Die Zugkräfte der Fluidmuskeln 36a, 50b ergänzen sich somit. Um eine zweite Kontaktposition des Generators 10 zu erreichen, übt der entsprechend angeordnete Fluidmuskel 50a über die Haltevorrichtung 28 eine Zugkraft auf das zu diesem Zeitpunkt noch in einer Kontaktposition mit den Parallelpfadelementen 22a, 22b befindende erste Kontaktelement 14a aus, so dass dieses aus der Kontaktposition in eine zweite Endposition gezogen wird. Auch hier unterstützt der entsprechend in der Nähe des zweiten Kontaktelements 14b angeordnete Fluidmuskel 36b diese Bewegung, indem er über die Haltevorrichtung 28 eine Zugkraft auf das zweite Kontaktelement 14b in entgegen gesetzte Richtung zur Zugkraft des Fluidmuskels 50a ausübt und dieses in die Kontaktposition zieht. Je nachdem, welcher Zustand einem Ausgangszustand des Generators 10 entspricht, kann das Kontaktelement 14a, 14b auch in der Ruheposition in leitendem Kontakt mit den entsprechenden Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b angeordnet sein. Alternativ können bei diesem Ausführungsbeispiel mit Schwenkachse 35 auch nur zwei statt vier Fluidmuskeln entweder beide zwischen Oberteil 13 und erster Einheit 12 oder beide zwischen Unterteil 15 und erster Einheit 12 angeordnet sein, bevorzugt in der Nähe jeweils eines Kontaktelements 14a, 14b. Übt dann einer der z.B. zwischen Oberteil 13 und erster Einheit 12 angeordneten Fluidmuskeln über die Haltevorrichtung 28 beispielsweise eine Zugkraft auf das erste Kontaktelement 14a aus, wird dieses aus der Kontaktposition gezogen und das zweite Kontaktelement 14b wird aufgrund des Hebels der Haltevorrichtung 28 automatisch in die Kontaktposition bewegt.
In den 2 und 3 ist auch der magnetische Fluss, der entsteht, wenn eines der Kontaktelemente 14a, 14b in Kontaktposition mit den Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b, zwischen denen es im hier dargestellten Beispiel angeordnet ist, ist, anhand einer Flusslinie 33 veranschaulicht. In 2 ist das Kontaktelement 14a in einer Kontaktposition und in 3 das Kontaktelement 14b. Der magnetische Fluss verläuft über die zweite Einheit 16 und das entsprechende Kontaktelement 14a, 14b und die entsprechenden Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b parallel zu den magnetischen Flusslinien 39 des jeweiligen Magneten 20a, 20b. Durch den Parallelpfad über das Kontaktelement 14a, 14b in Kontaktposition und die Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b, zwischen denen es angeordnet ist, wird das Magnetfeld der Spulen 32a, 32b entsprechend gepolt, so dass mit dem Magnetfeld des Magneten 20a, 20b, der gegenüber dem Kontaktelement 14a, 14b in geöffneter Stellung angeordnet ist, ein geschlossener Umlauf des magnetischen Flusses entlang der Flusslinie 33 entsteht. Sobald sich eines der Kontaktelemente 14a, 14b aus der Kontaktposition und im hier dargestellten Beispiel entsprechend das jeweils andere Kontaktelement 14a, 14b in die Kontaktposition bewegt, wird der magnetische Fluss durch die Spulen 32a, 32b geändert, so dass eine Spannung in den Spulen 32a, 32b induziert wird. Wird die Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit 12, 16, die zu der Bewegung der Kontaktelemente 14a, 14b relativ zu den Parallelpfadelementen 22a, 22b, 23a, 23b, denen sie jeweils zugeordnet und zwischen denen sie angeordnet sind, und im Wesentlichen senkrecht zu der durch die zwei Segmente 18a, 18b gebildeten Ebene, und somit auch im Wesentlichen senkrecht zu den magnetischen Flusslinien 39 des Magneten 20a, 20b, führt, in hoher Frequenz wiederholt, wird quasi permanent eine Spannung induziert. Je kleiner der Hub der Relativbewegung ist, desto höher kann deren Frequenz sein, und desto größer ist die Strommenge, die mit dem Generator 10 in einer bestimmten Zeitspanne erzeugt wird.
Durch die an einer Außenseite 37 der Segmente 18a, 18b angeordneten Parallelpfadelemente 22a, 22b, 23a, 23b ergibt sich für die erste Einheit 12 ein langer Hebel, so dass, wenn die Fluidmuskeln 36a, 36b, 50a, 50b weiter außen als in den 2 und 3 gezeigt angeordnet werden, besonders wenig Kraft nötig ist, um die Kontaktelemente 14a, 14b um eine geringe Distanz zu bewegen. Auf diese Weise kann der Antrieb mit minimalem Kraftaufwand betrieben werden.
In 4 ist schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator 10 gemäß einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Variante sind Parallelpfadelemente 42a, 42b, 43a, 43b an einer Innenseite 44 der Segmente 18a, 18b angeordnet. Die erste Einheit 12 umfasst eine Haltevorrichtung 46, an der Kontaktelemente 48a, 48b im hier dargestellten Beispiel derart angeordnet sind, dass sie zwischen den Parallelpfadelementen 42a, 42b, 43a, 43b angeordnet sind. Als Antrieb 34 dienen zwei Fluidmuskeln 52a, 52b (4), die sich auf entgegen gesetzten Seiten der ersten Einheit 12 befinden und durch wechselseitige Zugkräfte eine Auf- und Abbewegung der ersten Einheit 12 ermöglichen.
Die Zwischenabschnitte 30a, 30b, um die die Spulen 32a, 32b gewickelt sind, weisen in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen in etwa den gleichen Durchmesser auf, wie der Rest der Segmente 18a, 18b. Alternativ können die Zwischenabschnitte 30a, 30b auch einen geringeren Durchmesser aufweisen. Dadurch erhöht sich in diesem Bereich die magnetische Flussdichte.
Die Segmente 18a, 18b und die Kontaktelemente 14a, 14b bestehen beispielsweise abwechselnd aus gleich dicken Schichten aus weichem magnetischen Material und nicht magnetischem Material. Bei dem weichem magnetischen Material handelt es sich beispielsweise um Transformatorblech oder andere Eisenlegierungen oder andere ferromagnetische Werkstoffe, wie Eisen, Nickel oder Kobalt. Die Verstärkung des magnetischen Flusses durch die Verwendung von Transformatorblech oder andere Eisenlegierungen gegenüber Luft liegt bei 6000 bis 8000, für Eisen liegt sie etwas darunter. Alternativ sind die Segmente 18a, 18b elektrisch nicht leitend beschichtet und die Parallelpfadelemente 42a, 42b, 43a, 43b und die Kontaktelemente 14a, 14b bestehen aus weichem magnetischen Material. Auf diese Weise werden Wirbelströme, die bei magnetischem Fluss durch die Segmente 18a, 18b auftreten und zu Verlusten führen können, vermindert.
5 und 6 zeigen schematisch vereinfacht eine Seitenansicht des Generators 10 aus 4 in einer zweiten und dritten Variante. Die zweite, in 5 gezeigte Variante entspricht der schon in 4 gezeigten Variante mit zwei Fluidmuskeln 52a, 52b als Antrieb 34 (1), die die erste Einheit 12 (4) in entgegen gesetzte Richtungen bewegen können, als lineare Auf- und Abbewegung. Bei der dritten Variante in 6 umfasst der Antrieb 34 nur einen Fluidmuskel 52a und ein Federelement 38, welches der Zugkraft des Fluidmuskels 52a eine Rückstellkraft entgegen stellt.
In 7 ist schematisch vereinfacht eine Detailzeichnung eines Teils des Generators 10 (4). Diese veranschaulicht den magnetischen Fluss über die Segmente 18a, 18b, von denen in 7 nur ein Teil dargestellt ist, die Parallelpfadelemente 42a, 42b und das ihnen jeweils zugeordnete, daran angrenzend, im hier dargestellten Beispiel dazwischen angeordnete Kontaktelement 48a, wobei ein magnetisch leitender Kontakt zwischen den Parallelpfadelementen 42a, 42b und dem Kontaktelement 48a hergestellt ist, d.h. eine Kontaktposition wird erreicht. Es ist beispielhaft eine magnetische Flusslinie 60 des Magneten 20a dargestellt, welche vom Nord- zum Südpol 62, 64 verläuft und dabei jeweils senkrecht aus der Polfläche des Nordpols 62 austritt und senkrecht in die Polfläche des Südpols 64 eintritt. Eine weitere magnetische Flusslinie 66 ist beispielhaft für den magnetischen Fluss über die Segmente 18a, 18b, die Parallelpfadelemente 42a, 42b und das Kontaktelement 48a dargestellt, welche in diesem Bereich annähernd parallel zu der magnetischen Flusslinie 60 des Magneten 20a verläuft. Der magnetische Fluss über das Kontaktelement 48a entsteht, wenn dieses sich in einer geschlossenen Stellung mit den Parallelpfadelementen 42a, 42b, zwischen denen es angeordnet ist, wobei das andere Kontaktelement 48b (4) in einer geöffneten Stellung ist. Es liegt dann ein geschlossener Umlauf des magnetischen Flusses entlang der Flusslinie 66 über die zweite Einheit 16, die Parallelpfadelemente 42a, 42b und das Kontaktelement 48a in Kontaktposition vor. Die Flusslinie 66 trifft dabei in weiteren Verlauf über die zweite Einheit 16 auf den Südpol des anderen Magneten 20b (4), da Nord- und Südpol 62, 64 der Magneten 20a, 20b jeweils zueinander gerichtet sind. Eine Bewegungsrichtung 68 des Kontaktelements 48a, um dieses aus der dargestellten Kontaktposition in eine geöffnete Stellung zu bewegen, ist als Symbol eingezeichnet und zeigt senkrecht in die Zeichenebene hinein. Sie verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der durch die zwei Segmente 18a, 18b gebildeten Ebene, sowie zu den 7 eingezeichneten magnetischen Flusslinien 60 des Magneten 20a und den Flusslinien 66 des magnetischen Flusses über die Parallelpfadelemente 42a, 42b und das Kontaktelement 48a. Im hier dargestellten Beispiel sind auch die Parallelpfadelemente 42a, 42b in der Ebene der Segmente 18a, 18b angeordnet. Dies ist auch in allen weiteren hier dargestellten Beispielen für die jeweils dargestellten Segmente und Parallelpfadelemente der Fall.
8 zeigt schematisch vereinfacht einen Schnitt durch den Teil des Generators 10 an der Schnittlinie B-B aus 7. Das Kontaktelement 48a befindet sich wie in 7 in magnetisch leitendem Kontakt mit den Parallelpfadelementen 42a, 42b (hier nicht dargestellt). Hier sind sechs magnetische Flusslinien 60 des Magneten 20a und drei Flusslinien 66 des magnetischen Flusses über die Parallelpfadelemente 42a, 42b symbolisch dargestellt und zeigen aus der Zeichenebene heraus bzw. in die Zeichenebene hinein. Im Bereich des Kontaktelements 48a verlaufen die magnetischen Flusslinien 60 und die magnetische Flusslinie 66 parallel zueinander und in die gleiche Richtung, nämlich in die Zeichenebene hinein. Die Bewegungsrichtung 68 des Kontaktelements 48a wird durch einen Pfeil dargestellt und ist auf- oder abwärts gerichtet, je nachdem, ob das Kontaktelement 48a durch den Antrieb 34 (1) nach oben oder nach unten aus dem leitenden Kontakt mit den Parallelpfadelementen 42a, 42b bewegt wird. Die Bewegungsrichtung 68 des Kontaktelements 48a ist hier im Wesentlichen senkrecht zu der durch die zweite Einheit 16 (4) gebildeten Ebene, die hier senkrecht zur Zeichenebene ist, sowie im Wesentlichen senkrecht zu den in 8 eingezeichneten magnetischen Flusslinien 60 des Magneten 20a bzw. des magnetischen Flusses durch das Kontaktelement 48a bei geschlossenem Kontakt.
9 zeigt schematisch vereinfacht eine dritte Variante des Generators 10 in einer Draufsicht. Die dritte Variante entspricht dem Generator 10 aus 2, wobei zusätzliche Parallelpfadelemente 22c, 22d, 23c, 23d an einer Innenseite 44 des Generators 10 angeordnet sind. Dazwischen ist jeweils ein zusätzliches Kontaktelement 14a’, 14b’ angeordnet. Ein schematisch vereinfachter Schnitt durch den Generator 10 an der Schnittlinie A-A aus 9 ist in 10 dargestellt. Der Schnitt an der Schnittlinie A-A entspricht im Wesentlichen einem Schnitt durch die Längsachse der Haltevorrichtung 28, welche im hier dargestellten Beispiel um wenige Grad im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 35 gedreht dargestellt ist. In dieser Stellung der Haltevorrichtung 28 befinden sich die in 10 auf der rechten Seite dargestellten Kontaktelemente 14b, 14b’ in einer Kontaktposition mit den ihnen jeweils zugeordneten Parallelpfadelementen 23a, 23b, 23c, 23d (9). Die in 10 auf der linken Seite angeordneten Kontaktelemente 14a, 14a’ stehen in dem hier dargestellten Beispiel zu diesem Zeitpunkt der Bewegung nicht in magnetisch leitendem Kontakt mit den ihnen jeweils zugeordneten Parallelpfadelementen 22a, 22b, 22c, 22d (9). Eine für diese Variante besonders geeignete Ausführungsweise der Kontaktelemente und Parallelpfadelemente wird in Verbindung mit den 19 und 20 erläutert werden.
In 10 ist der Zwischenabschnitt 30a und die darum gewickelte Spule 32a dargestellt, die in 9 auf rechten Seite des Generators 10 angeordnet sind. Die Kontaktelemente 14a, 14a’ oder die Kontaktelemente 14b, 14b’ werden jeweils im Wesentlichen gleichzeitig in eine Kontaktposition bewegt, so dass jeweils zwei Parallelpfade zu dem entsprechenden, überbrückten Magneten 20a, 20b über die Parallelpfadelemente 22a, 22b, 22c, 22d bzw. die Parallelpfadelemente 23a, 23b, 23c, 23d entstehen. Der Generator 10 aus 9 weist daher eine Anzahl von Kontaktelementen auf, die der doppelten Anzahl an Magneten entspricht. In den zuvor und nachfolgend dargestellten Varianten und Ausführungsbeispielen weisen die Generatoren jeweils eine Anzahl an Kontaktelementen auf, die der Anzahl der Magneten entspricht.
11 zeigt schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator 80 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit vier Magneten 82a, 82b, 83a, 83b, die einer zweiten Einheit 84 zugeordnet sind. Weiterhin umfasst die zweite Einheit 84 des Generators 80 in diesem Ausführungsbeispiel vier Segmente 86a, 86b, 87a, 87b und vier Spulen 88a, 88b, 89a, 89b, die jeweils um Zwischenabschnitte 90a, 90b, 91a, 91b der Segmente 86a, 86b, 87a, 87b gewickelt sind. Die Zwischenabschnitte 90a, 90b, 91a, 91b verbinden jeweils zwei Parallelpfadelemente 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b. Eine erste Einheit 98 umfasst eine Haltevorrichtung 100, die aus vier Teilen besteht, an deren Enden sich jeweils ein Kontaktelement 102a, 102b, 104a, 104b befindet, so dass es jeweils zwischen zwei Parallelpfadelementen 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b angeordnet ist. Ein Parallelpfad zu dem Magneten 82a über die Parallelpfadelemente 92a, 92b lässt sich demnach durch das Kontaktelement 102a schließen. Wenn das Kontaktelement 102a in geschlossener Stellung ist, ist das im Uhrzeigersinn direkt darauf folgende Kontaktelement 104a, das zwischen den Parallelpfadelementen 93a, 93b angeordnet ist, in geöffneter Stellung. Das direkt auf das Kontaktelement 104a folgende Kontaktelement 102b ist wieder in einer geschlossenen Stellung, so dass ein Parallelpfad zu dem Magneten 82b über die Parallelpfadelemente 94a, 94b entsteht. Das direkt darauffolgende, vierte Kontaktelement 104b ist wieder in der geöffneten Stellung zwischen den Parallelpfadelementen 95a, 95b angeordnet. Werden die Kontaktelemente 102a, 102b aus der Kontaktposition bewegt, werden die anderen Kontaktelemente 104a, 104b gleichzeitig in die Kontaktposition bewegt. Die Stellung ist somit immer für jedes zweite Kontaktelement 102a, 102b, 104a, 104b gleich.
Um diese Stellung zu erreichen, sind die Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b entsprechend versetzt an der Haltevorrichtung 100 angeordnet. Als Antrieb lässt sich beispielsweise der Antrieb 34 aus 1 mit jeweils einem Fluidmuskel auf beiden Seiten der ersten Einheit 98 verwenden oder beispielsweise zwei Fluidmuskeln auf beiden Seiten der ersten Einheit 98, die jeweils an einander gegenüberliegenden Teilen der Haltevorrichtung 100 angeordnet sind. Bevorzugt ist pro Kontaktelement 102a, 102b, 104a, 104b ein Fluidmuskel vorgesehen. Mithilfe des Antriebs werden die Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b auf und ab bewegt, wobei sich abwechselnd jedes zweite Kontaktelement 102a, 102b, 104a, 104b in einer Kontaktposition mit den jeweiligen Parallelpfadelementen 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, wie oben beschrieben, befindet. Dadurch wird ein magnetischer Fluss über die zweite Einheit 84 und die sich jeweils in Kontaktposition befindenden Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b erzeugt, der, je nachdem, welche Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b sich jeweils in Kontaktposition bewegen, seine Richtung ändert. Durch diese magnetischen Flussänderungen wird in den Spulen 88a, 88b, 89a, 89b eine Spannung induziert. Der Hub, der für die Bewegung der Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b in eine Kontaktposition bzw. in eine geöffnete Stellung nötig ist, kann dabei minimal, z.B. im Bereich von 1 mm oder darunter, sein. Anstelle der vier in 11 gezeigten Spulen 88a, 88b, 89a, 89b können auch nur auf einem, zwei oder drei der Zwischenabschnitte 90a, 90b, 91a, 91b eine Spule angeordnet sein oder es können mehrere Spulen auf einem oder mehreren der Zwischenabschnitte 90a, 90b, 91a, 91b angeordnet sein.
In 12 ist schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator 110 als drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, der dem Generator 80 aus 11 in der Anzahl der Magneten, Segmenten, Spulen, Parallelpfadelementen und Kontaktelementen und deren Anordnung gleicht. Der Unterschied zu 11 liegt in einer Schwenkachse 122, die durch die durch die Segmente 86a, 86b, 87a, 87b der zweiten Einheit 84 gebildete Ebene verläuft und eine Schwenkbewegung der ersten Einheit 98 relativ zur zweiten Einheit 84 erlaubt. Auch bei dieser Schwenkbewegung wird abwechselnd jedes zweite Kontaktelement 102a, 102b, 104a, 104b in einer Kontaktposition mit den jeweiligen Parallelpfadelementen 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, wie in Bezug auf 11 beschrieben, gebracht. Dazu sind die Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b derart an der ersten Einheit 98 angeordnet, dass die rechts oben und rechts unten dargestellten Kontaktelemente 102a, 104a bei einer Bewegung nach oben in eine geöffnete Stellung und bei Bewegung nach unten in eine geschlossene Stellung bewegt werden. Die links unten und links oben dargestellten Kontaktelemente 102b und 104b sind dementsprechend so an der ersten Einheit 98 angeordnet, dass sie bei einer Bewegung nach oben in eine geschlossene Stellung und bei einer Bewegung nach unten in eine geöffnete Stellung bewegbar sind.
Die Schwenkbewegung lässt sich z. B. durch einen Antrieb mit Fluidmuskeln, wie auch in Bezug auf 2 beschrieben, erreichen. Auch bei dem dritten Ausführungsbeispiel in 11 ist nur ein geringer Hub notwendig, um eine Änderung des magnetischen Flusses über die zweite Einheit 84 und die sich jeweils in Kontaktposition befindenden Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b zu erreichen.
Auch bei den Ausführungsbeispielen aus 11 und 12 ist es alternativ möglich, die Parallelpfadelemente an einer Außenseite oder sowohl an einer Innen- als auch an einer Außenseite der zweiten Einheit 84 anzuordnen und die erste Einheit 98 dementsprechend, beispielsweise mit verlängerter Haltevorrichtung, auszugestalten, so dass die Kontaktelemente angrenzend an die oder zwischen den Parallelpfadelementen angeordnet sind. Ebenso ist es möglich, dass statt der ersten Einheit 98 die zweite Einheit 84 durch den Antrieb mit einer Auf- und Abbewegung bewegt wird, um die wechselnden Kontaktpositionen der Kontaktelemente 102a, 102b, 104a, 104b herzustellen, wobei dann die erste Einheit 98 statisch ist.
Die 13 und 14 zeigen schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Generator 120 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Einheit 122 Kontaktelemente 124a, 124b, 124c, 125a, 125b, 125c, die an einer Haltervorrichtung 121 an jeweils einem Arm 123a, 123b, 123c, 127a, 127b, 127c angeordnet sind. Die zweite Einheit 126 umfasst sechs Segmente 128a, 128b, 128c, 130a, 130b, 130c und sechs Magneten 132a, 132b, 132c, 133a, 133b, 133c, die als Permanentmagneten ausgestaltet sind. Wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die Segmente 128a, 128b, 128c, 130a, 130b, 130c und Magneten 132a, 132b, 132c, 133a, 133b, 133c einander abwechselnd derart angeordnet sind, dass die Nord- bzw. Südpole der Magneten 132a, 132b, 132c, 133a, 133b, 133c zueinander gerichtet sind. Jedes Segment 128a–c, 130a–c weist außerdem zwei Parallelpfadelemente 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b auf, die über einen Zwischenabschnitt miteinander verbunden sind. Um die Zwischenabschnitte ist jeweils eine Spule 144a, 144b, 144c, 145a, 145b, 145c gewickelt.
Alternativ können aber auch nur eine, zwei, drei, vier oder fünf Spulen vorgesehen sein, die um beliebige Zwischenabschnitte gewickelt sein können. In dem hier gezeigten Beispiel mit sechs Spulen 144a, 144b, 144c, 145a, 145b, 145c kann jeweils der Strom von einem Paar Spulen 144a, 144b, 144c, 145a, 145b, 145c auf eine Phase gebracht werden, die anders ist als die der übrigen beiden Paare von Spulen 144a, 144b, 144c, 145a, 145b, 145c, so dass sich der bei der Spannungsinduktion in den Spulen erzeugte Strom symmetrisch als dreiphasiger Drehstrom einspeisen lässt.
Ein magnetischer Fluss entsteht in dem in 13 gezeigten Beispiel über einen jeweils durch die Parallelpfadelemente 136a, 136b, 138a, 138b, 140a, 140b und die dazwischen angeordneten Kontaktelemente 124a–c gebildeten Parallelpfad parallel zu den magnetischen Flusslinien 150 derjenigen Magneten 132a–c, die durch den Parallelpfad überbrückt werden, wenn die Kontaktelemente 124a–c mit den Parallelpfadelementen 136a, 136b, 138a, 138b, 140a, 140b in magnetisch leitendem Kontakt stehen. Zwischen den übrigen Parallelpfadelementen 137a, 137b, 139a, 139b, 141a, 141b und den jeweils dazwischen angeordneten Kontaktelementen 125a–c besteht in dieser ersten Relativposition der ersten zur zweiten Einheit 122, 126 kein magnetisch leitender Kontakt, das heißt, die Parallelpfadelemente 137a, 137b, 139a, 139b, 141a, 141b und die Kontaktelemente 125a–c befinden sich in einer geöffneten Stellung.
Die in 13 beispielhaft für den magnetischen Fluss eingezeichnete Flusslinie 146 über die erste und zweite Einheit 122, 126 des Generators 120 verläuft in eine erste Richtung, mit dem Uhrzeigersinn. Dieser Verlauf entsteht aufgrund der Anordnung der Magneten 132a–c, 133a–c mit jeweils zueinander gerichteten Nord- und Südpolen. Die Richtung des magnetischen Flusses ergibt sich daraus, dass der magnetische Fluss parallel zu und in die gleiche Richtung der magnetischen Flusslinien 150 der überbrückten Magneten 132a–c verläuft.
In 14 befinden sich die erste und die zweite Einheit 122, 126 in einer zweiten Relativposition zueinander, bei der die in der ersten Relativposition (13) in einer Kontaktposition befindlichen Kontaktelemente 124a–c und Parallelpfadelemente 136a, 136b, 138a, 138b, 140a, 140b in einer geöffneten Stellung und die übrigen Kontaktelemente 125a–c und Parallelpfadelemente 137a, 137b, 139a, 139b, 141a, 141b in einer geschlossenen Stellung sind. In 14 verläuft der magnetische Fluss, hier beispielhaft für eine einzelne Flusslinie 152 dargestellt, in eine zweite, der Richtung der magnetischen Flusslinie 146 entgegen gesetzte Richtung, das heißt gegen den Uhrzeigersinn, über die erste und zweite Einheit 122, 126 des Generators 120. Die Richtung des magnetischen Flusses entsteht durch die Anordnung derjenigen Magneten 133a–c, die bei geschlossenen Kontaktelementen 125a–c durch den Parallelpfad überbrückt werden, zu deren magnetischen Flusslinien 153 der magnetische Fluss 152 parallel und in die gleiche Richtung verläuft.
Durch die Bewegung der einen Kontaktelemente 124a–c aus der geschlossenen Stellung (13) in die geöffnete Stellung und der anderen Kontaktelemente 125a–c von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung (14) wird somit der magnetische Fluss durch die Spulen 144a–c, 145a–c geändert und eine Spannung in den Spulen 144a–c, 145a–c induziert. Wenn ein magnetischer Fluss durch die Spulen 144a–c, 145a–c läuft, befindet sich immer jedes zweite der Kontaktelemente 124a–c, 125a–c in geschlossener Stellung und die anderen der Kontaktelemente 124a–c, 125a–c in geöffneter Stellung.
Die erste Einheit 12, 98, 122 ist in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen bevorzugt so ausgeführt, dass sie eine Schwenkbewegung oder eine Auf- und Abbewegung relativ zur zweiten Einheit 16, 84, 126 mit einer Frequenz im Bereich zwischen bevorzugt 1 Hz und 3 kHz, besonders bevorzugt 10 Hz bis 100 Hz, wiederholt ausführt. Dabei sind die Einheiten 12, 98, 122 oder die Einheiten 16, 84, 126 statisch und die jeweils anderen Einheiten 16, 84, 126 bzw. Einheiten 12, 98, 122 werden durch den Antrieb 34 bewegt.
In den 15 und 16 ist schematisch vereinfacht eine Schnittansicht des Generators 120 an der Schnittlinie A-A (13, 14) mit Kontaktelementen 124a, 125c und Parallelpfadelementen 136a, 136b, 141a, 141b gemäß einer ersten Variante in einer ersten Kontaktposition mit einem ersten Kontaktelement 124a in geschlossener Stellung (15) und in einer zweiten Kontaktposition mit einem zweiten Kontaktelemente 125c in geschlossener Stellung (16) dargestellt.
In 15 befindet sich das hier auf der rechten Seite dargestellte Kontaktelement 124a in Kontaktposition mit den Parallelpfadelementen 136a, 136b, denen es zugeordnet ist und zwischen denen es angeordnet ist, während das links daneben angeordnete Kontaktelement 125c in einer geöffneten Stellung zu den Parallelpfadelementen 141a, 141b, denen es zugeordnet und zwischen denen es angeordnet ist, steht. Die in 15 dargestellte Situation entspricht der in 13 dargestellten, in der sich die erste und zweite Einheit 122, 126 (13) in einer ersten Relativposition zueinander befinden und in der ein magnetischer Fluss im Uhrzeigersinn unter anderem über die Parallelpfadelemente 136a, 136b und das dazwischen angeordnete, sich in Kontaktposition befindende Kontaktelement 124a fließt.
In 16 befindet sich das hier auf der linken Seite dargestellte Kontaktelement 125c in Kontaktposition mit den Parallelpfadelementen 141a, 141b, zwischen denen es angeordnet ist, während das rechts daneben angeordnete Kontaktelement 124a in einer geöffneten Stellung zu den Parallelpfadelementen 136a, 136b, zwischen denen es angeordnet ist, steht. Die in 16 dargestellte Situation entspricht der in 14 dargestellten, in der sich die erste und zweite Einheit 122, 126 in einer zweiten Relativposition zueinander befinden und in der ein magnetischer Fluss gegen den Uhrzeigersinn unter anderem über die Parallelpfadelemente 141a, 141b und das dazwischen angeordnete, sich in Kontaktposition befindende Kontaktelement 125c fließt.
Die Kontaktelemente 124a, 125c weisen in dem in 15 und 16 dargestellten Ausführungsbeispiel eine konische Außenfläche 154 auf und die Parallelpfadelemente 136a, 136b, 141a, 141b sind korrespondierend dazu ausgeformt und weisen jeweils zum dazwischen angeordneten Kontaktelement 124a, 125c gerichtet eine Schräge 156 auf, die an die Form der Kontaktelemente 124a, 125c derart angepasst ist, dass in einer Kontaktposition ein gleichmäßiger Kontakt zwischen den Kontaktelementen 124a, 125c und den jeweiligen Parallelpfadelementen 136a, 136b, 141a, 141b entsteht. Bei dem gleichmäßigen Kontakt liegen die Außenfläche 154 und die Fläche der Schräge 156 aneinander. Befinden sich die Kontaktelemente 124a, 125c in einer geöffneten Stellung, ist der Abstand der Außenfläche 154 zur Fläche der Schräge 156 überall gleich groß. Der Hub, der dem weitesten Abstand des Kontaktelements 124a, 125c zu den Parallelpfadelementen 136a, 136b, 141a, 141b zwischen denen es angeordnet ist, entspricht, liegt dabei im Bereich von etwa 2 mm oder darunter. Alternative Ausführungsbeispiele für Kontaktelemente und Parallelpfadelemente sind in den 17 bis 20 gezeigt.
Die hier dargestellten, nebeneinander angeordneten Kontaktelemente 124a, 125c sind gegenläufig angeordnet, damit jeweils eines dieser Kontaktelemente 124a, 125c durch die Relativbewegung der ersten Einheit und zweiten Einheit zueinander jeweils eines der Kontaktelemente 124a, 125c in eine geschlossene Stellung bewegt werden kann. Um einen besonders geringen Hub zu erzielen, ist das in 15 und 16 auf der rechten Seite dargestellte Kontaktelement 124a und/oder jedes zweite weitere Kontaktelement bevorzugt in eine erste Richtung aus einer im Wesentlichen durch die zweite Einheit 126 gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit 122 angeordnet. In den 15 und 16 entspricht die erste Richtung einer Richtung nach oben. Das in diesem Ausführungsbeispiel auf der linken Seite dargestellte Kontaktelement 125c und/oder die übrigen Kontaktelemente sind dagegen in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, aus der im Wesentlichen durch die zweite Einheit 126 gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit 122 angeordnet. In den 15 und 16 entspricht die zweite Richtung demzufolge einer Richtung nach unten. Bei der in den 15 und 16 dargestellten Anordnung können die Kontaktelemente 124a, 125c im Wesentlichen senkrecht zu den magnetischen Flusslinien der Magneten 132a, 133c bewegt werden, so dass nur eine minimale Kraft aufgewandt werden muss, um die jeweilige magnetische Haltekraft in der Kontaktposition zu überwinden. Alternativ können auch die Parallelpfadelemente, zwischen denen jedes zweite Kontaktelement angeordnet ist, gegenüber der durch die zweite Einheit gebildeten Ebene versetzt in die erste Richtung angeordnet sein, und die übrigen Parallelpfadelemente versetzt in die zweite Richtung. In weiteren alternativen Ausführungsformen können auch die einzelnen Arme der jeweiligen Haltervorrichtung in versetzten Ebenen angeordnet sein, so dass die daran angeordneten Kontaktelemente bei gleicher Größe automatisch aus der im Wesentlichen durch die zweite Einheit gebildeten Ebene versetzt ausgerichtet sind.
17 und 18 zeigen schematisch vereinfacht zwei Parallelpfadelemente 160a, 160b und ein Kontaktelement 162a gemäß einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung in einer geöffneten Stellung (17) und in einer Kontaktposition (18). Die Parallelpfadelemente 160a, 160b und das Kontaktelement 162a sind dabei an ihrer jeweiligen Außenfläche 164, 166 korrespondierend zueinander stufenförmig ausgebildet. Der Hub entspricht der Höhe einer Stufe und kann beispielsweise im Bereich von 2 mm oder darunter liegen.
19 und 20 zeigen schematisch vereinfacht zwei Parallelpfadelemente 170a, 170b und ein Kontaktelement 172a gemäß einer dritten Variante der vorliegenden Erfindung in einer geöffneten Stellung (19) und in einer Kontaktposition (20). Die Parallelpfadelemente 170a, 170b und das Kontaktelement 172a sind geschichtet aus weichem magnetischen und nicht magnetischen Material ausgeformt. Sowohl in der Kontaktposition als auch bei unterbrochenem Kontakt ist der Abstand zwischen dem Kontaktelement 172a und den Parallelpfadelementen 170a, 170b, der minimal sein kann, im wesentlichen konstant. In der geöffneten Stellung grenzen die aus weichem magnetischen Material geformten Schichten 174 des Kontaktelements 172a an die nicht magnetischen Schichten 180 der Parallelpfadelemente 170a, 170b, und die nicht magnetischen Schichten 178 des Kontaktelements 172a grenzen an die aus weichem magnetischen Material geformten Schichten 176 der Parallelpfadelemente. In dieser Stellung herrscht kein magnetisch leitender Kontakt zwischen Kontaktelement 172a und Parallelpfadelementen 170a, 170b. In der geschlossenen Stellung grenzen die aus weichem magnetischen Material geformten Schichten 174 des Kontaktelements 172a an die weichen magnetischen Schichten 176 der Parallelpfadelemente 170a, 170b, so dass ein magnetisch leitender Kontakt entsteht. Der Hub entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel der Dicke der Schichten 174, 176, 178, 180, welche bevorzugt die gleiche Dicke aufweisen, und kann im Bereich von 2 mm oder darunter liegen. Bei dem weichem magnetischen Material der Schichten 174, 176 handelt es sich beispielsweise um Transformatorblech oder andere Eisenlegierungen oder andere ferromagnetische Werkstoffe, wie Eisen, Nickel oder Kobalt. Die Verstärkung des magnetischen Flusses durch die Verwendung von Transformatorblech oder andere Eisenlegierungen gegenüber Luft liegt bei 6000 bis 8000, für Eisen liegt sie etwas darunter. Das Kontaktelement bewegt sich bei dieser Variante genau senkrecht zu den magnetischen Flusslinien zwischen dem Kontaktelement 172a und den Parallelpfadelementen 170a, 170b, so dass für die Bewegung eine minimaler Kraftaufwand nötig ist.
In 21 ist schematisch vereinfacht einen Fluidmuskel 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Fluidmuskel 200 ist zylindrisch und mit einem Füllkörper 202, beispielsweise Teflonkugeln, gefüllt. Er weist einen fluidisch dichten und flexiblen Schlauch 204, z. B. aus einem Elastomer, auf. An einer Außenseite 206 des Schlauchs weist der Fluidmuskel eine zusammenhängende Umspinnung 208 aus festen Fasern auf. Diese ist beispielsweise in Rautenform ausgeführt, so dass sich ein dreidimensionales Gitter bildet. Die festen Fasern können auch in den Schlauch 204 integriert sein. Um eine Zugkraft mit dem Fluidmuskel 200 auszuüben, wird dieser mit einem Fluid 210 befüllt, so dass er sich ausdehnt. Aufgrund des Füllkörpers 202 ist weniger Fluid 210 nötig, damit sich der Fluidmuskel 200 auf einen bestimmten Durchmesser ausdehnt, als ohne Füllkörper 202 benötigt würde. Auch andere Ausführungsformen von Fluidmuskeln, beispielsweise ohne Füllkörper oder mit einem einzelnen Füllkörper, der größer ist, als die Füllkörper 202 in 21, können für die vorliegende Erfindung geeignet sein.
Anstelle von Fluidmuskeln kann auch ein anderer geeigneter Antrieb verwendet werden. Besonders geeignete Antriebe weisen eine große Kraftübertragung bei kleinem Hub auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/119055 A1 [0003]

Claims

Generator, umfassend – eine erste Einheit mit mindestens einem Paar magnetisch leitenden Kontaktelementen, – eine zweite Einheit mit mindestens einem Paar Segmenten und mindestens einem Paar Magneten, wobei Segmente und Magneten einander abwechselnd derart angeordnet sind, dass die Nord- bzw. Südpole der Magneten zueinander gerichtet sind, wobei jedes Segment zwei miteinander verbundene, magnetisch leitende Parallelpfadelemente aufweist, – eine Spule, die zwischen zwei miteinander verbundenen Parallelpfadelementen angeordnet ist, – einen Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung der ersten und zweiten Einheit zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) jeweils zwei an zwei unterschiedlichen Segmenten (18a, 18b, 86a, 86b, 87a, 87b, 128a–c, 130a–c) benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) zugeordnet ist und angrenzend an diese Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) derart angeordnet ist, dass das Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) und die jeweiligen Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) derart relativ zueinander bewegbar sind, dass das Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) entweder mit beiden Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) oder mit keinem der beiden Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) in magnetisch leitendem Kontakt steht.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) jeweils zwei an zwei unterschiedlichen Segmenten (18a, 18b, 86a, 86b, 87a, 87b, 128a–c, 130a–c) benachbart zueinander angeordneten Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) zugeordnet ist und angrenzend an diese Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) derart angeordnet ist, dass jedes Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) und die jeweiligen Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) derart relativ zueinander bewegbar sind, dass mindestens ein Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) entweder mit beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) oder mit keinem der beiden ihm zugeordneten Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) in magnetisch leitendem Kontakt steht.
Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Einheit (12, 98, 122, 16, 84, 126) zur Ausführung einer Auf- und Abbewegung ausgestaltet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Einheit (12, 98, 122, 16, 84, 126) zur Ausführung einer Schwenkbewegung um eine in einer im Wesentlichen durch die zweite Einheit (16, 84, 126) gebildeten Ebene verlaufende Schwenkachse (35) ausgestaltet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Einheit (12, 98, 122, 16, 84, 126) zur Ausführung einer linearen Bewegung ausgestaltet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen erster und zweiter Einheit (12, 98, 122, 16, 84, 126) mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 3 kHz, bevorzugt 10 Hz bis 100 Hz, ausgestaltet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch 2N Segmente (86a, 86b, 87a, 87b, 128a–c, 130a–c) und 2N Magneten (82a, 82b, 83a, 83b, 132a–c, 133a–c), wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch 3N Spulen, wobei N eine ganze Zahl größer als 0 ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass pro Magnet (20a, 20b, 82a, 82b, 83a, 83b, 132a–c, 133a–c) jeweils zwei Paar Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) vorgesehen sind, denen jeweils ein Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) zugeordnet und angrenzend daran angeordnet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (20a, 20b, 82a, 82b, 83a, 83b, 132a–c, 133a–c) Permanentmagneten sind.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) und die Kontaktelemente (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) zumindest teilweise aus einem weichen magnetischen Material sind.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c. 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) und das jeweils diesen zugeordnete und angrenzend daran angeordnete Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) geschichtet aus weichem magnetischen (174, 180) und nicht magnetischen Material (176, 178) ausgeformt sind.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Parallelpfadelemente (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) und das jeweils diesen zugeordnete und angrenzend daran angeordnete Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) zueinander korrespondierend konisch und/oder stufenförmig ausgeformt sind.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweite Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) in eine erste Richtung aus einer im Wesentlichen durch die zweite Einheit (16, 84, 126) gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit (12, 98, 122) angeordnet ist und die übrigen Kontaktelemente (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, aus der im Wesentlichen durch die zweite Einheit (16, 84, 126) gebildeten Ebene versetzt an der ersten Einheit (12, 98, 122) angeordnet sind.
Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (34) mindestens einen Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) umfasst.
Generator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) und ein zweiter Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) oder mindestens ein Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) und mindestens ein Federelement (38) derart angeordnet sind, dass die Kontaktelemente (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) durch eine Zugkraft des ersten bei einer Ruhestellung des zweiten Fluidmuskels (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) bzw. gegen eine Rückstellkraft des Federelements (38) aus einer Ruheposition bewegbar sind.
Generator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) in der Ruheposition in magnetisch leitendem Kontakt mit den Parallelpfadelementen (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d, 42a, 42b, 43a, 43b, 92a, 92b, 93a, 93b, 94a, 94b, 95a, 95b, 136a, 136b, 137a, 137b, 138a, 138b, 139a, 139b, 140a, 140b, 141a, 141b) angeordnet ist.
Generator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass pro Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) ein Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) vorgesehen ist, wobei der oder jeder Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) derart im Bereich des Kontaktelements (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) angeordnet ist, dass das Kontaktelement (14a, 14a’, 14b, 14b’, 48a, 48b, 102a, 102b, 104a, 104b, 124a–c, 125a–c, 162a, 172a) aus einer Ruheposition bewegbar ist.
Generator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Fluidmuskel (36a, 36b, 50a, 50b, 52a, 52b, 200) mit einem Füllkörper (202) gefüllt ist.