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Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungseinrichtung, aufweisend mehrere piezoelektrische Biegewandler. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur autonomen Stromerzeugung unabhängig von einem elektrischen Versorgungsnetz.
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WO 2009/153106 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Ankopplung von mechanischer Energie in Form breitbandiger mechanischer Schwingungen an einem Piezoaktor, insbesondere Piezomultilayeraktor, zur Wandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, mit einem Gehäuse, auf das die mechanische Energie in Form der Schwingungen wirkt und einer Schwingmasse. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schwingmasse mit mindestens zwei Piezoaktoreinheiten in dem Gehäuse eingespannt ist. Auf diese Weise ist eine Vorrichtung bereitgestellt, die für einen breiten Frequenz- und Amplitudenbereich von mechanischen Schwingungen eine wirksame Anpassung an einen Piezoaktorenergiewandler bewirkt. Jedoch weist die Vorrichtung den Nachteil auf, dass sie vergleichsweise aufwändig herzustellen und empfindlich ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur effektiven Energieerzeugung, insbesondere Stromerzeugung, mittels mehrerer piezoelektrischer Biegewandler bereitzustellen, welche einfach herstellbar und robust ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Energieerzeugungseinrichtung, aufweisend mehrere freischwingende piezoelektrische Biegewandler, die einseitig auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind, wobei mindestens zwei der Biegewandler ein zueinander unterschiedliches Schwingungsverhalten aufweisen.
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Durch die einseitige Befestigung des piezoelektrischen Biegewandlers an einem Ende ist das andere Ende des Biegewandlers freischwingend, was eine besonders einfache und robuste Konstruktion erlaubt. Eine Bewegung des gemeinsamen Trägers ist auf alle Biegewandler übertragbar, welche daraufhin mit einer zugehörigen Schwingungscharakteristik frei schwingen. Das Schwingen beinhaltet ein Biegen der Biegewandler, wodurch deren piezoelektrisches Material oder Volumen verformt wird. Durch die Verformung wiederum wird eine elektrische Spannung oder Piezospannung erzeugt, welche als nutzbare Spannung abgreifbar ist. Das Grundprinzip einer Erzeugung einer elektrischen Spannung aus einer Biegung eines piezoelektrischen Biegewandlers ist grundsätzlich gut bekannt und braucht hier nicht weiter ausgeführt zu werden. Durch das Vorsehen von mindestens zwei Biegewandlern mit einer zueinander unterschiedlichen Schwingungscharakteristik ist es möglich, die mechanische Bewegung des gemeinsamen Trägers besonders effektiv in elektrische Energie umzuwandeln, da die unterschiedlichen Biegewandler als Reaktion auf eine mechanische Anregung unterschiedlich schwingen und somit auch eine mechanische Bewegung des Trägers mit unterschiedlichen oder überlagerten Anregungsfrequenzen („breitbandige mechanische Anregung“) mit höherer Wahrscheinlichkeit zumindest einen der Biegewandler zu einer starken Schwingung, insbesondere zu einer resonanten Schwingung, anregt.
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Die Energieerzeugungseinrichtung mag insbesondere auch als eine Spannungserzeugungseinrichtung oder Stromerzeugungseinrichtung bezeichnet werden.
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Piezoelektrische Biegewandler sind grundsätzlich bekannt und mögen beispielsweise als Vollkörper aus piezoelektrischem Material vorliegen. Alternativ mag ein piezoelektrischer Biegewandler eine oder mehrere piezoelektrische Schichten aufweisen, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht sind, z.B. auf einem Kunststoffsubstrat.
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Unter einem unterschiedlichen Schwingungsverhalten mag insbesondere eine unterschiedliche Resonanzfrequenz und/oder eine unterschiedliche Hauptschwingungsrichtung verstanden werden.
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Insbesondere können die Biegewandler ein einzeln oder gruppenweise zueinander unterschiedliches Schwingungsverhalten zeigen. So können alle Biegewandler ein zueinander unterschiedliches Schwingungsverhalten zeigen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass an den Biegewandlern ein jeweiliges seismisches Masseelement oder Schwingungsmasse angebracht ist. Dadurch kann ein Schwingungsverhalten auf einfache Weise beeinflusst werden. Das Masseelement mag beispielsweise ein auf den Biegewandler aufgeklebtes Masseelement sein.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass Masseelemente von Biegewandlern mit unterschiedlicher Schwingungscharakteristik eine unterschiedliche Masse aufweisen. So lässt sich eine Resonanzfrequenz auf einfache Weise durch unterschiedliche Massen variieren und z.B. an ein zu erwartendes mechanisches Anregungsspektrum anpassen.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Biegewandler eine gleiche freie Länge aufweisen. So lässt sich eine Resonanzfrequenz der Biegewandler besonders einfach gezielt variieren. Unter einer „freien Länge“ mag insbesondere eine Länge des Abschnitts des Biegewandlers zwischen seiner Befestigung, insbesondere Einspannung, an dem Träger und dem Masseelement verstanden werden. Ist kein Masseelement vorhanden, mag unter einer „freien Länge“ insbesondere eine Länge zwischen seiner Befestigung, insbesondere Einspannung, an dem Träger und seinem freien Ende verstanden werden.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass an den Biegewandlern ein jeweiliges seismisches Masseelement angebracht ist und Masseelemente von Biegewandlern mit unterschiedlicher Schwingungscharakteristik an einer unterschiedlichen freien Länge angebracht sind. Auch so lässt sich die Resonanzfrequenz auf vergleichsweise einfache Weise gezielt variieren.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die seismischen Masseelemente eine gleiche Masse aufweisen, also die Masseelemente gleich schwer sind. Dies vereinfacht eine gezielte Variation der Resonanzfrequenz weiter.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Biegewandler eine gleiche Länge aufweisen, weil so beispielsweise deren preiswerte Herstellung erleichtert werden kann. Diese Ausgestaltung ist auch einsetzbar für den Fall, dass Masseelemente vorhanden sind und sich eine freie Länge der Biegewandler aufgrund einer unterschiedlichen Längenposition der Masseelemente unterscheidet, da ein Beitrag des Abschnitts des Biegewandlers zwischen seinem Masseelement und einem freien Ende vernachlässigbar klein gestaltet werden kann.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass Biegewandler mit unterschiedlicher Schwingungscharakteristik eine unterschiedliche Biegesteifigkeit aufweisen. Dies lässt sich beispielsweise durch unterschiedliche Querschnittsdimensionen und/oder eine Wahl von Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften (z.B. einem unterschiedlichen Elastizitätsmodul) erreichen.
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Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und es können beispielsweise die Masse der Masseelemente, die freie Länge der Biegewandler und/oder ihre Biegesteifigkeit unterschiedlich sein. So kann eine besonders kompakte Energieerzeugungseinheit mit einer großen Variation an Resonanzfrequenzen bereitgestellt werden.
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Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass Biegewandler mit unterschiedlicher Schwingungscharakteristik eine unterschiedliche hauptsächliche Schwingungsrichtung oder „Hauptschwingungsrichtung“ aufweisen, in welcher sie am einfachsten oder effektivsten zu einer Schwingung anregbar sind. Die Auslenkung der Biegewandler, insbesondere ein Erreichen ihrer Resonanzfrequenz, hängt dann von einer Richtung der Anregung bzw. einer Ausrichtung des Biegewandlers ab, und zwar auch dann, wenn die Biegewandler einen gleichen Grundaufbau aufweisen. Ein gleicher Grundaufbau vereinfacht eine Herstellung der Energieerzeugungseinheit. Biegewandler mit unterschiedlichem Schwingungsverhalten brauchen dann nur noch unterschiedlich orientiert an dem Träger angeordnet zu werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass Biegewandler mit unterschiedlicher Schwingungscharakteristik um ihre Längsachse verdreht angeordnet sind. So mag eine besonders einfache Anbringung erreicht werden. Auch mag so effektive Energieumwandlung mit einer verringerten Winkelabhängigkeit erreicht werden.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Biegewandler einen eckigen, insbesondere viereckigen, Querschnitt aufweisen, wodurch sich eine besonders große Auslenkung entlang einer kleinsten Ausdehnung im Querschnitt (z.B. in Dickenrichtung) erreichen lässt.
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Der oben beschriebene Biegewandler ist insbesondere geeignet zum Betrieb unter einer mechanischen Anregung in einem Bereich von mehreren zehn Hertz bis zu mehreren tausend Hertz, insbesondere in einem Bereich zwischen 50 Hz und 500 Hz, insbesondere zwischen 50 Hz und 250 Hz, insbesondere zwischen 100 Hz und 200 Hz.
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Der oben beschriebene Biegewandler ist insbesondere anwendbar zur autonomen Stromerzeugung unabhängig von einem elektrischen Versorgungsnetz. So mag der Biegewandler zur Stromerzeugung mit einer sich bewegenden Unterlage mechanisch verbunden sein, z.B. einem Motor oder einem Motorgehäuse, und sein elektrisches Nutzsignal z.B. zur Stromversorgung elektrischer Komponenten verwendet werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt in Draufsicht eine Energieerzeugungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt in Draufsicht eine Energieerzeugungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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3 zeigt in Schrägansicht eine Energieerzeugungseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Energieerzeugungseinrichtung 11 mit einem plattenförmigen Träger 12, welcher einen Ausschnitt 13 aufweist. Auf einer Flachseite 14 des Trägers 12 sind fünf längliche piezoelektrische Biegewandler 15a–15e gleicher Länge so angebracht, dass sie mit einem ersten Ende 16 mittels einer Haltevorrichtung 17 fest an dem Träger 12 gehalten werden bzw. eingespannt sind. Das gegenüberliegende zweite Ende 18 ist nicht eingespannt oder angelenkt, sondern kann frei schwingen. An dem zweiten Ende 18 ist an den Biegewandlern 15a–15e ein jeweiliges seismisches Masseelement 19a–19e angebracht. Insbesondere können sich die Biegewandler 15a–15e über ihre freie Länge L zwischen der Haltevorrichtung 17 oder dem Beginn des Ausschnitts 13 und dem jeweiliges seismischen Masseelement 19a–19e verbiegen. Die freie Länge L der Biegewandler 15a–15e ist hier gleich.
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Die Biegewandler 15a–15e können insbesondere bei einer Bewegung oder Anregung des gemeinsamen Trägers 12 senkrecht zur Bildebene oder senkrecht zu ihrer Längsachse A zu einer Schwingung angeregt werden. Durch die Schwingung und damit Biegung wird in den Biegewandlern 15a–15e mindestens ein piezoelektrisches Volumen deformiert, wodurch eine Piezospannung erzeugt wird. Diese Piezospannung lässt sich mittels einer geeigneten Verdrahtung (o. Abb.) als elektrisches Nutzsignal, z.B. als eine nutzbare Spannung, abgreifen. Ob die Schwingung der Biegewandler 15a–15e (und damit die Piezospannung) klein oder groß ist, insbesondere eine resonante Schwingung ist, hängt von einer Anregungsfrequenz des Trägers 12 ab.
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Um die Biegewandler 15a–15e einen möglichst großen Anregungsbereich („breitbandig“) des Trägers 12 zu großen Schwingungen anzuregen, weisen die Masseelement 19a–19e der Biegewandler 15a–15e eine unterschiedliche Masse ma–me auf, z.B. mit der Beziehung ma > mb > mc > md > me. Dadurch wird den Biegewandlern 15a–15e ein unterschiedliches Schwingungsverhalten aufgeprägt, und zwar eine jeweils unterschiedliche Resonanzfrequenz. So kann eine Piezospannung auch bei nicht gleichförmig oder regelmäßig bewegten Trägern 12 oder bei Trägern 12 mit mehreren überlagerten Anregungsfrequenzen effektiv erzeugt werden.
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2 zeigt eine Energieerzeugungseinrichtung 21 mit einem plattenförmigen Träger 12, an dem analog zu der Energieerzeugungseinrichtung 11 fünf längliche piezoelektrische Biegewandler 25a–25e angebracht sind. Im Gegensatz zu der Energieerzeugungseinrichtung 21 sind die Massen m der seismischen Masseelemente 29a–29e gleich. Jedoch befinden sich die Masseelemente 29a–29e an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse A an den Biegewandlern 25a–25e. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche freie Länge L der Biegewandler 25a–25e, was hier durch die kürzere freie Länge Le des Biegewandlers 25e im Vergleich zu der freien Länge La des Biegewandlers 25a beispielhaft dargestellt ist. Auch so wird den Biegewandlern 25a–25e ein unterschiedliches Schwingungsverhalten aufgeprägt, und zwar eine jeweils unterschiedliche Resonanzfrequenz. Diese mögen z.B. an fünf Frequenzorten in einem Bereich zwischen 100 Hz und 160 Hz liegen.
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Die Biegewandler 25a–25e weisen ebenfalls eine gleiche Länge auf, wobei ein Abschnitt entlang der Längsachse A zwischen dem jeweiligen Masseelement 29a–29e und dem freien Ende nicht oder nur geringfügig zu einer Erzeugung einer jeweiligen Piezospannung beiträgt.
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3 zeigt in Schrägansicht eine Energieerzeugungseinrichtung 31, deren vier Biegewandler 35a–35d parallel und senkrecht von einem Träger 32 hochstehen bzw. deren Längsachsen A normal zu einer gemeinsamen Flachseite 14 und parallel zueinander stehen. Die Biegewandler 35a–35d sind identisch aufgebaut, einschließlich einer gleichen Länge von dem Träger 32 zu ihrem freien Ende 18, einer gleichen freien Länge von dem Träger 32 zu dem seismischen Masseelement 39, einer gleichen Masse der Masseelemente 39 und einer gleichen Biegesteifigkeit. Auch ist ihre Grundform die gleiche, nämlich mit einem rechteckigen Querschnitt.
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Eine unterschiedliche Schwingungseigenschaft der Biegewandler 35a–35d wird nun dadurch erreicht, dass benachbarte Biegewandler 35a–35d um 90° um ihre Längsachse A verdreht angeordnet sind und damit eine entsprechend verdrehte Hauptschwingungsrichtung Sa–Sd aufweisen. Die Hauptschwingungsrichtung Sa–Sd liegt dabei senkrecht zu der Längsachse A und in Richtung einer geringsten Breite oder Dicke des Querschnitts. Dabei ist die Hauptschwingungsrichtung Sa und Sc bzw. Sb und Sd gegenüberliegender Biegewandler 35a und 35c bzw. 35b und 35d gleich. Bei einer gerichteten Bewegung oder Anregung des Trägers 32 wird in den meisten Fällen das Paar der Biegewandler 35a, 35c anders angeregt als das Paar 35b, 35d. Insbesondere die Energieerzeugungseinrichtung 31 mag beispielsweise
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Die Energieerzeugungseinrichtung (11) weist mehrere freischwingende piezoelektrische Biegewandler (15a–15f) auf, die einseitig auf einem gemeinsamen Träger (12) befestigt sind, wobei mindestens zwei der Biegewandler (15a–15f) ein zueinander unterschiedliches Schwingungsverhalten aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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