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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsvorrichtung, wie z.B. einem Energiegewinnungssystem oder einem Schwingungstilger, und ein Verfahren zur Abstimmung desselben.
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Im Allgemeinen stellt die schmalbandige Charakteristik eines herkömmlichen Vibrationsenergiewandlers oder Vibrationsschwingungstilgers eine wesentliche Hürde dar, wenn es darum geht, energieautonome Sensorsysteme in Anwendungsbereichen zu etablieren oder dort Schwingungen zu reduzieren, in denen eine zeitliche Abhängigkeit der dominanten Frequenzen im Frequenzspektrum der entsprechenden Vibrationsprofile vorliegt. Ein herkömmlicher Vibrationsenergiewandler besitzt eine fest Eigenfrequenz, die an eine in der Anwendung vorkommende dominante Frequenz angepasst werden soll. Nur dann, wenn die Eigenfrequenz des Vibrationsenergiewandlers mit einer im Vibrationsspektrum vorkommenden dominanten Frequenz übereinstimmt, kann Vibrationsenergie in elektrische Energie mit hoher oder hinreichender Effektivität umgewandelt werden.
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Ebenso besteht eine Aufgabe darin, die Eigenfrequenz oder eine der Eigenfrequenzen eines Vibrationstilgers auf eine dominante Frequenz der zu beruhigenden Struktur einzustellen.
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In einer Vielzahl von Einsatzumgebungen (z.B. Schiffsgetriebe, drehzahlgesteuerte Pumpen etc.) existiert in der Regel eine oder mehrere dominante Grundfrequenzen, deren Lage sich jedoch zeitlich mit dem Betriebszustand des Systems verändert. Damit ein Vibrationsenergiewandler dennoch fortwährend mit hinreichender Effektivität Energie wandeln kann, wird ein Mechanismus eingesetzt, der in der Lage ist, die Eigenfrequenz des Energiewandlers an die sich verändernde dominante Frequenz anzupassen.
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Ein Mechanismus zur Anpassung der Eigenfrequenz eines Vibrationsenergiewandlers kann auch als Resonanz-Tuning bezeichnet werden. Aus der Literatur sind drei Resonanz-Tuning Konzepte bekannt: mechanisch, magnetisch und piezoelektrisch [1]. Das zugrunde liegende Prinzip bei jedem dieser Konzepte besteht darin, die Gesamtsteifigkeit im System zu variieren, um so eine definierte Veränderung der Eigenfrequenz zu erzielen. Eine bevorzugte Methode zur Realisierung des Resonanz-Tunings ist dabei die Anwendung des magnetischen Konzepts.
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Eine beispielhafte Ausführung ist in 10 gezeigt und in [2] erläutert. Hier ist ein aktives Element 1100, z.B. ein Magnetkreis mit Luftspalt, der einen Teil des eigentlichen Energiewandlers darstellt, mithilfe einer Blattfeder 1200 schwingungsfähig gelagert. Aus der Masse des aktiven Elements 1100 sowie der Steifigkeit der Blattfeder 1200 ergibt sich eine definierte Eigenfrequenz für das Gesamtsystem.
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Mithilfe eines Kopplungs-Magneten 1350 und eines translatorisch gelagerten, quaderförmigen Magneten 1370 (Tuning-Magnet) können magnetische Kräfte in das Gesamtsystem eingekoppelt werden, die zu einer Veränderung der Systemsteifigkeit und somit auch zu einer Veränderung der Eigenfrequenz führen. Eine translatorische Verschiebung 1372 oder 1374 des Tuning-Magneten 1370 kann dabei in horizontaler Richtung 1372, wie es in [2] beschrieben ist, oder in vertikaler Richtung 1374, wie es in [3] beschrieben ist, erfolgen.
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Diese Methode weist allerdings signifikante Nachteile auf. So kann die magnetische Kopplung zwischen Kopplungs-Magnet 1350 und Tuning-Magnet 1370 ausschließlich „abstoßend“ oder, wie gezeigt, „anziehend“ sein. Damit ist das Frequenzband, innerhalb dessen die Eigenfrequenz verändert werden kann, der sogenannte Tuning-Bereich, eingeschränkt. Ferner kann aufgrund der Tatsache, dass der Tuning-Magnet translatorisch verschoben wird, bei der Verwendung von Schrittmotoren oder Gleichstrommotoren als aktives Stellelement ein Getriebe notwendig sein. Bei einem sehr kleinen Abstand 1376 zwischen Kopplungs-Magnet 1350 und Tuning-Magnet 1370 wird die auf den Tuning-Magneten 1370 wirkende Kraft sehr groß. Daher ist auch aus diesem Grund ein Getriebe zur Verschiebung des Tuning-Magneten erforderlich.
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Da eine translatorische Verschiebung des Tuning-Magneten 1370 für das Resonanz-Tuning erforderlich ist, muss entsprechender Bauraum zur Verfügung gestellt werden. Damit ein Großteil des Tuning-Bereichs genutzt werden kann, muss der Tuning-Magnet 1370 relativ weit verfahren werden. Bei Vibrationsenergiewandlern kann die Strecke im Bereich von Zentimetern liegen. Bei Vibrationstilgern kann die Strecke, je nach Dimensionierung des Systems, auch größer sein. Bei Verwendung eines Schrittmotors mit Getriebe zur Justage des Verfahrweges müssen ggf. mehrere Umdrehungen desselben vollzogen werden, um den entsprechenden Verfahrweg realisieren zu können. Dies führt zu einem hohen Aufwand an Zeit und Energie, bis der entsprechende Verfahrweg zurückgelegt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zur Abstimmung eines Vibrationstilgers und/oder eines Vibrationsenergiewandlers mit einem geringen Bauraumbedarf und einem großen einstellbaren Frequenzbereich zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass die magnetische Kopplung mittels eines drehbar gelagerten Magnetelements realisiert wird. Basierend auf der Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements können je nach Drehorientierung sowohl anziehende als auch abstoßende magnetische Kräfte erhalten werden, was zu großen Frequenzbereichen führt, innerhalb derer die Eigenfrequenz des Systems einstellbar ist. Ferner ist das System mit lediglich geringen oder gar keinem Verfahrweg in translatorischer Richtung realisierbar, so dass Systeme mit kleinem Bauraum erhalten werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Schwingungsvorrichtung ein eine Eigenfrequenz aufweisendes Feder-Masse-System, das ein Federelement und eine an dem Federelement angeordnete Schwingungsanordnung umfasst. Die Schwingungsvorrichtung umfasst ferner eine an dem Feder-Masse-System angeordnete Abstimmanordnung mit einem drehbar gelagerten Magnetelement. Die Abstimmanordnung ist ausgebildet, um bei einer Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements eine Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems basierend auf einer magnetischen Justage-Kopplung zu verändern.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Schwingungsvorrichtung ein Kompensations-Magnetelement, das ausgebildet ist, um eine magnetische Kompensations-Kopplung zwischen dem drehbar gelagerten Magnetelement und dem Kompensations-Magnetelement bereitzustellen. Ein durch die Kompensations-Kopplung erzeugtes und auf das drehbar gelagerte Magnetelement wirkende Kompensations-Drehmoment wirkt einem auf der Justage-Kopplung basierenden Rückstell-Drehmoment entgegen.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass basierend auf dem Kompensations-Drehmoment eine Kraft und/oder Energie zur Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements sowie eine Kraft und/oder Energie zum Halten des drehbar gelagerten Magnetelements in einer beliebigen Position gering ist, so dass eine Drehung und ein Halten des drehbar gelagerten Magnetelements energieeffizient erfolgen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Energiegewinnungssystem ein eine Eigenfrequenz aufweisendes Feder-Masse-System umfassend ein Federelement und eine an dem Federelement angeordnete Schwingungskomponente, die ausgebildet ist, um basierend auf einer Schwingung derselben eine elektrische Energie bereitzustellen. Das Energiegewinnungssystem umfasst ferner ein Sensorelement, das ausgebildet ist, um basierend auf der erzeugten elektrischen Energie betrieben zu werden. Das Energiegewinnungssystem umfasst ferner eine an dem Feder-Masse-System angeordnete Abstimmanordnung mit einem drehbar gelagerten Magnetelement. Die Abstimmanordnung ist ausgebildet, um bei einer Drehung des drehbar gelagerten ersten Magnetelements eine Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems basierend auf einer magnetischen Justage-Kopplung zu verändern.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements energieeffizient erfolgen kann, so dass ein Betrieb des Sensors basierend auf der von der Schwingungsanordnung erzeugten elektrischen Energie erfolgen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Schwingungstilger ein eine Eigenfrequenz aufweisendes Feder-Masse-System umfassend ein Federelement und eine an dem Federelement angeordnete Schwingungsmasse. Der Schwingungstilger umfasst ferner eine an dem Feder-Masse-System angeordnete Abstimmanordnung mit einem drehbar gelagerten Magnetelement. Die Abstimmanordnung ist ausgebildet, um bei einer Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements eine Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems basierend auf einer magnetischen Justage-Kopplung zu verändern. Das Feder-Masse-System ist ausgebildet, um an einer Struktur angeordnet zu werden, so dass Vibrationen der Struktur das Feder-Masse-System zu Schwingungen anregen und Schwingungen des Feder-Masse-Systems eine Amplitude der Vibrationen der Struktur beeinflussen.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein frequenzadaptiver Schwingungstilger realisierbar ist, dessen Eigenfrequenz mit geringem Aufwand an Energie und Bauraum verändert werden kann.
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Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zur Abstimmung eines Feder-Masse-Systems.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1a eine schematische Aufsicht auf eine Schwingungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 1b eine schematische Seitenansicht der Schwingungsvorrichtung aus 1a;
- 1c eine schematische Aufsicht auf die Schwingungsvorrichtung aus 1a in einem Zustand, in welchem der Tuning-Magnet ausgelenkt ist;
- 2 eine schematische Seitenansicht einer Schwingungsvorrichtung, bei der eine Abstimmanordnung an der gleichen Seite der Schwingungsanordnung angeordnet ist wie das Federelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Aufsicht auf eine Schwingungsrichtung, bei der ein Tuning-Magnet als Stabmagnet ausgebildet ist gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Seitenansicht einer Schwingungsvorrichtung, bei der der Tuning-Magnet um eine Drehachse drehbar gelagert ist, die senkrecht zu der Vorzugs-Schwingrichtung des Federelements angeordnet ist gemäß einem Ausführu ngsbeispiel;
- 5 ein schematisches Blockschaltbild eines Energiegewinnungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung eines Schwingungstilgers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7a einen Verlauf des Rückstell-Drehmoments über verschiedene Auslenkwinkel des Tuning-Magneten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7b einen Verlauf des Rückstell-Drehmomentes des Tuning-Magneten, das sich mithilfe eines Kompensations-Magneten kompensieren lässt gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8a einen beispielhaften Frequenzbereich einer Schwingungsvorrichtung mit einem Abstand von 10 mm zwischen Kopplungs-Magnet und Tuning-Magnet gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8b einen beispielhaften Frequenzbereich einer Schwingungsvorrichtung mit einem Abstand von 6 mm zwischen Kopplungs-Magnet und Tuning-Magnet gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 8c eine schematische Darstellung von Eigenfrequenzverläufen der Vorrichtung aus 1a und 1b bei einer Rotation des Tuning-Magneten um an der Abszisse dargestellte Winkel φ gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 9 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abstimmung eines Feder-Masse-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 10 eine Schwingungsvorrichtung mit einem translatorisch verschiebbaren Magneten gemäß dem Stand der Technik.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Schwingungsvorrichtung
100, die ein Feder-Masse-System
110 und eine Abstimmanordnung
130 umfasst. Das Feder-Masse-System
110 umfasst ein Federelement
112 und eine an dem Federelement
112 angeordnete Schwingungsanordnung
114. Das Feder-Masse-System
110 weist zumindest eine Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz auf, die unter anderem auf einer Federsteifigkeit des Federelements
112 und einer Masse der Schwingungsanordnung
114 bzw. einer Gesamtmasse des Gesamtsystems (
112 und
114) basiert. Unter Vernachlässigung der Dämpfungswerte kann eine Resonanzfrequenz eines Einmassenschwingers vereinfacht durch
angegeben werden, wobei ω
0 die Resonanzfrequenz, c die Steifigkeit und m die Masse bezeichnet.
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Die Schwingungsvorrichtung 100 umfasst ferner eine an dem Feder-Masse-System 110 angeordnete Abstimmanordnung 130, die ausgebildet ist, um basierend auf einer magnetischen Justage-Kopplung die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 zu beeinflussen bzw. zu verändern. Die Abstimmanordnung 130 umfasst einen Kopplungs-Magneten 132 und einen drehbar gelagerten Tuning-Magneten (Tuning = abstimmen) bzw. ein Tuning-Magnetelement. Der Tuning-Magnet 134 ist bezüglich einer Drehachse 136 drehbar gelagert, etwa mittels einer Welle und/oder eines Hebels. Die Drehachse 136 kann innerhalb oder außerhalb des Tuning-Magneten 134 angeordnet sein. Die Drehachse 136 kann lateral, d. h. entlang zumindest einer Richtung senkrecht zu der Drehachse 136, beweglich sein. Vorzugsweise ist die Drehachse 136 lateral unbeweglich angeordnet. Bei dem Tuning-Magneten kann es sich um einen beliebigen aktiven (elektrischen) oder passiven Magneten handeln, etwa eine Spule oder ein Dauermagnet. Der Dauermagnet kann als diametral polarisierter Zylindermagnet, als Quadermagnet oder ein eine beliebige andere Form aufweisender Magnet ausgeführt sein. Vorteilhafterweise kann der Tuning-Magnet 134 bezüglich der Drehachse 136 symmetrisch gebildet sein. Symmetrisch kann sich dabei auf eine Punktsymmetrie, eine Achssymmetrie und/oder eine rotatorische Symmetrie beziehen.
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Dies ermöglicht eine symmetrische Ausbildung von magnetischen Kräften zwischen dem Kopplungs-Magneten und dem Tuning-Magneten und ggf. dem Kompensations-Magneten.
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Eine mit F bezeichnete magnetische Kraft zwischen dem Kopplungs-Magnet 132 und dem Tuning-Magnet führt zu einer magnetischen Kopplung bzw. der Justage-Kopplung 138 zwischen den beiden Magneten. Basierend auf der Kraft F wird zumindest eine Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 beeinflusst.
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Der Kopplungs-Magnet 132 und der Tuning-Magnet 134 weisen je einen zumindest einen magnetischen Nordpol und zumindest einen magnetischen Südpol auf. Sind die beiden Magnete 132 und 134 so angeordnet, dass ein Nordpol und ein Südpol einander zugewandt sind, resultiert eine (ggf. maximale) Anziehungskraft F zwischen den Magneten 132 und 134, wie es durch den durchgezogenen Pfeil angedeutet ist. Sind jedoch zwei Nordpole oder zwei Südpole einander zugewandt, so resultiert eine (ggf. maximale) abstoßende Kraft F, wie es durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Eine Drehstellung des Tuning-Magneten 134 in eine dazwischenliegende Dreh-Position führt zu einer reduzierten Anziehungskraft oder abstoßenden Kraft F bzw. zu einem Kräftegleichgewicht (F=0).
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Eine anziehende Kraft F führt zu einer effektiven Versteifung des Federelements 112, so dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 ebenfalls erhöht ist. Demgegenüber führt eine abstoßende Kraft F zu einer wirksamen Verringerung der Steifigkeit des Federelements 112, so dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 ebenfalls verringert ist. Basierend auf einer Drehbewegung 142 des drehbar gelagerten Tuning-Magneten 134 ist somit die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 einstellbar bzw. veränderbar.
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Bei dem Federelement 112 kann es sich um eine beliebige Struktur, beispielsweise eine Blattfeder, eine Spiralfeder, eine Gummifeder oder eine Gasfeder handeln. Vorteilhaft an einer Verwendung von Blattfedern ist, dass diese lediglich eine Vorzugsrichtung einer auslenkenden Schwingung aufweisen, die senkrecht zu den Hauptoberflächenebenen (beispielsweise eine Oberseite und eine Unterseite im Vergleich mit zumindest drei Seitenkanten) im Raum angeordnet ist.
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Bei der Schwingungsanordnung 114 kann es sich um einen beliebigen Körper handeln, der eine zur Schwingung angeregte Masse aufweist, wie etwa ein Volumenkörper aus organischen und/oder anorganischen bzw. metallischen Materialien. Vereinfacht kann es sich bei der Schwingungsanordnung 114 um ein einfaches Gewicht handeln, welches in Verbindung mit dem Federelement 112 als Vibrationstilger wirkt. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Schwingungsanordnung 114 auch um einen Energieerzeuger (engl.: Energy-Harvester = Energieernter) handeln. Der Energieerzeuger kann als mikroelektromechanisches System (MEMS) oder als makroskopisches System gefertigt sein. So kann der Energieerzeuger Abmessungen von wenigen Millimetern bis hin zu Zentimetern oder größer umfassen.
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Eine Auslenkung des drehbar gelagerten Tuning-Magneten 134 aus seiner Ruhelage heraus und so, dass die Justage-Kopplung 138 verändert wird, kann zu einer Ausbildung eines Rückstellmoments führen, welches versucht den Tuning-Magneten 134 in seine Ruhelage zurückzubewegen. Eine Beibehaltung der Position kann durch entsprechende Haltekräfte erreicht werden.
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Die Schwingungsvorrichtung 100 kann einen optionalen Kompensations-Magneten bzw. ein optionales Kompensations-Magnetelement 144 umfassen, welches an einer dem Kopplungs-Magneten 132 gegenüberliegenden Seite des Tuning-Magneten 134 bzw. dessen Drehachse 136 angeordnet ist. Die Anordnung kann auch mit einem Winkel φ von größer oder gleich 90° und weniger oder gleich 270° ausgehend vom Kopplungs-Magneten 132 und bezogen auf die Drehachse 136angeordnet sein. Vorteilhaft ist ein Winkelbereich von größer oder gleich 120° und weniger oder gleich 240° oder größer oder gleich 140° und weniger oder gleich 220° oder 180°.
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Zwischen dem Kompensations-Magnetelement 144 und dem Tuning-Magneten 134 kann sich eine Kompensations-Kopplung 146 ausbilden, die zu einem Kompensations-Drehmoment führt, das auf oder an dem Tuning-Magneten 134 wirkt und dem Rückstell-Drehmoment entgegenwirkt. So kann die Haltkraft reduziert oder gar zu einem Wert von in etwa null reduziert werden.
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1b zeigt eine schematische Seitenansicht der Schwingungsvorrichtung 100 aus 1a.
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Das Federelement 112 weist eine Vorzugs-Schwingrichtung 152 auf, in welcher bei konstanter Kraftamplitude an einem beliebigen Punkt des Federelements 112 eine maximale Auslenkungsamplitude des Federelements 112 erreicht werden kann. Der Tuning-Magnet 134 ist in einer Rotationsebene 154 um die Drehachse 136 drehbar gelagert. Die Schwingungsvorrichtung 100 umfasst ein Stellglied 156, das mit dem Tuning-Magneten 134 gekoppelt ist und ausgebildet ist, etwa mittels einer Dreh-Welle, die von dem Stellglied 156 gedreht wird, um diesen bezüglich des Feder-Masse-Systems 110 bzw. bezüglich des Kopplungs-Magneten 132 und/oder des optionalen Kompensations-Magneten 144 zu verdrehen. Bei dem Stellglied 156 kann es sich beispielsweise um einen Linearmotor, einen Schrittmotor oder ein sonstiges Antriebselement handeln.
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Die Rotationsebene 154 kann bezüglich der Vorzugsrichtung 152 senkrecht angeordnet sein. Alternativ kann die Rotationsebene 154 auch innerhalb eines Toleranzbereichs senkrecht zu der Vorzugsrichtung 152 angeordnet sein. Der Toleranzbereich kann beispielsweise durch Fertigungstoleranzen und/oder Justageparameter bei der Montage beeinflusst sein und in einem Bereich von weniger oder gleich 45°, weniger oder gleich 25° oder weniger oder gleich 10° liegen. Eine senkrechte Anordnung kann zu einer hohen Symmetrie der anpassenden (abstimmenden) Kräfte bezüglich der Auslenkrichtung der Schwingungsanordnung 114 ausgehend von einem Schwingungsmittelpunkt (bspw. Ruhelage der Vorrichtung).
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Der Tuning-Magnet 134 ist bezüglich des Kopplungs-Magneten 132 mit einem Abstand d1, beispielsweise ein Luftspalt, angeordnet. Bezüglich des Kompensations-Magneten 144 ist der Tuning-Magnet 134 mit einem Abstand d2, beispielsweise ebenfalls ein Luftspalt, angeordnet. Alternativ kann zwischen den Magneten 132, 134 und/oder 144 auch ein anderes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, etwa zu Kühlzwecken, oder kein Medium, etwa Vakuum, angeordnet sein. Die Abstände d1 und d2 können während eines Betriebs oder während einer Montage der Schwingungsvorrichtung 100 justierbar sein, so dass das Rückstellmoment, das aus der Justage-Kopplung 138 resultiert, und das Kompensations-Drehmoment, das mittels des Kompensations-Magneten 144 erzeugt wird, gleiche oder in etwa gleiche Beträge aufweisen. Sind beispielsweise der Kopplungs-Magnet 132 und der Kompensations-Magnet 146 gleich ausgeführt, so können die Abstände d1 und d2 ebenfalls gleich groß sein. Alternativ können die Abstände d1 und d2 voneinander verschieden sein, etwa wenn die beiden Magnete 132 und 144 basierend auf Fertigungstoleranzen und/oder unterschiedlichen Magnettypen unterschiedlich große magnetische Kräfte bereitstellen.
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In anderen Worten kann der Tuning-Bereich über den Abstand d1 eingestellt und somit anwendungsspezifisch ausgelegt werden. Unterschiedliche Tuning-Bereiche für verschiedene Abstände d1 sind in den 8a und 8b dargestellt.
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1c zeigt eine schematische Aufsicht auf die Schwingungsvorrichtung 100 in einem Zustand, in welchem der Tuning-Magnet 134 gegenüber dem Zustand, wie er in der 1a dargestellt ist, ausgelenkt, d.h. rotiert ist, so dass ein Betrag der magnetischen Anziehungskraft F bzw. ein Betrag der Justage-Kopplung 138' gegenüber der Kraft F aus 1a reduziert ist. Basierend auf Anziehungskräften zwischen dem Südpol des Kopplungs-Magneten 132 und dem Nordpol des Tuning-Magneten 134 sowie basierend auf abstoßenden Kräften zwischen dem Südpol des Kopplungs-Magneten 132 und dem Südpol des Tuning-Magneten 134 bildet sich ein rückstellendes Moment 162 aus, um den Tuning-Magneten 134 in seine Ruhelage zurückzubewegen, das bedeutet einen minimalen Abstand zwischen dem Südpol des Kopplungs-Magneten und dem Nordpol des Tuning-Magneten bzw. einen maximalen Abstand zwischen dem Südpol des Kopplungs-Magneten 132 und dem Südpol des Tuning-Magneten 134 einzustellen. Ein Kompensations-Drehmoment 164, das basierend auf abstoßenden Kräften zwischen dem Südpol des Kompensations-Magneten 144 und dem Südpol des Tuning-Magneten 134 bzw. auf Anziehungskräften zwischen den Magneten 134 und 144 erzeugt wird, ist entlang einer Drehrichtung des Tuning-Magneten 134 gerichtet, die einer Richtung des Rückstell-Drehmoments 162 entgegengesetzt angeordnet ist. Ein Betrag des Kompensations-Drehmoments 164 entspricht bspw. zumindest 50 %, 70 % oder 90 % eines Betrags des Rückstell-Drehmoments 162.
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Dies ermöglicht eine geringe Kraft und einen geringen Energieaufwand zur Drehung des Tuning-Magneten 134 und/oder zum Halten dessen Position.
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Der Tuning-Bereich, d. h. der Frequenzbereich, in welchem die Eigenfrequenz angepasst werden kann, wird bspw. umso größer, je kleiner der Abstand d1 gewählt wird. Damit wird eine sehr kompakte Bauweise möglich. Aufgrund der Tatsache, dass der Tuning-Magnet um die eigene Achse (Drehachse) gedreht wird, kann auf die Bereitstellung von zusätzlichem Bauraum für den Tuning-Mechanismus verzichtet werden. Um innerhalb eines definierten Tuning-Bereichs tunen zu können, d.h. die Eigenfrequenz verändern zu können, kann eine Rotation des Tuning-Magneten von lediglich 180°, d.h. einer halben Umdrehung, ausreichend sein, da ein Verlauf der Kraft F bei einer Drehung des symmetrisch ausgebildeten Tuning-Magneten 134 aus seiner in 1a dargestellten Lage im bzw. entgegen gesetzten Uhrzeigersinn symmetrisch (gleich) sein kann. Alternativ kann bei einer asymmetrischen Ausformung des Tuning-Magneten 134 zu einer Ungleichheit der Kräfte bzgl. der Drehrichtung führen. Dies ermöglicht eine größere Kräftevariation bei einer Drehung des Tuning-Magneten 134 um mehr als 180°, wie etwa 360°.
Vereinfacht ausgedrückt ist das Federelement 112 an einer Seite der Schwingungsanordnung 114 angeordnet. Die Abstimmanordnung ist an einer gegenüberliegenden Seite der Schwingungsanordnung angeordnet.
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Ist der Kompensations-Magnet 144 angeordnet, so ist die Abstimmanordnung ausgebildet, um die magnetische Kopplung basierend auf Anziehungskräften und (gleichzeitig) Abstoßungskräften bereitzustellen.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Schwingungsvorrichtung 200, bei der die Abstimmanordnung 130 an der gleichen Seite der Schwingungsanordnung 114 angeordnet ist wie das Federelement 112. Der Kopplungs-Magnet 132 ist an dem Federelement 112 angeordnet. Alternativ kann der Kopplungs-Magnet 132 auch an der Schwingungsanordnung 114 angeordnet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Bauform der Vorrichtung 200.
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3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Schwingungsrichtung 300, bei der ein Tuning-Magnet 334 als Stabmagnet ausgebildet ist, beispielsweise als quaderförmiger Magnet oder als Zylindermagnet. Die Drehachse 136 des Tuning-Magneten 334 ist im Wesentlichen, d. h., bspw. innerhalb von Fertigungstoleranzen, parallel zu der Vorzugs-Schwingrichtung 152 des Federelements 112 angeordnet.
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Ein durch den Tuning-Magneten 334 ausgebildetes Magnetfeld B, ist zumindest teilweise senkrecht zu der Vorzugs-Schwingrichtung 152 des Federelements 112 im Raum angeordnet. Alternativ kann dies auch mit einer Anordnung des Tuning-Magneten 134 erreicht werden.
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Prinzipiell kann der Tuning-Magnet 334 auch eine andere, rotationsasymmetrische Form aufweisen. Eine rotationsasymmetrische Form ermöglicht eine nichtlineare Variation der magnetischen Kopplungen. Beispielsweise kann eine anfängliche Bewegung (Drehung) des Tuning-Magneten aus der dargestellten Ruhelage heraus zu einer geringen Variation der Eigenfrequenz(en) des Feder-Masse-Systems 110 führen, wohingegen eine Variation des Drehwinkels in einem größeren Winkel zu einer vergleichsweise großen Variation führt, so dass sowohl eine Feinjustage als auch eine Grobjustage der Eigenfrequenz ermöglicht ist. Alternativ kann eine rotationsasymmetrische Form auch zu einer rotationssymmetrischen Variation der magnetischen Kopplungen führen. Bspw. kann aufgrund einer rotationssymmetrischen Form des Tuning-Magneten 114, wie er in den 1a und 1b dargestellt ist, ein nichtlinearer Verlauf der magnetischen Kopplungen 138 erhalten werden. Eine Rotationsasymmetrie des Tuning-Magneten 114 kann zu einer den Verlauf zumindest teilweise linearisierenden Veränderung Beeinflussung bzw. Veränderung führen.
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4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Schwingungsvorrichtung 400, bei der der Tuning-Magnet 134 um eine Drehachse 136' drehbar gelagert ist, die senkrecht zu der Vorzugs-Schwingrichtung 152 des Federelements 112 angeordnet ist. Gegenüber der Drehachse 136, wie sie beispielsweise in der 1b dargestellt ist, ist die Drehachse 136' um 90° gedreht und beispielsweise in einer Ebene angeordnet, die parallel zu einer Ebene einer Hauptseite des Federelements 112 im unausgelenkten Zustand im Raum angeordnet ist.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein Bauraum innerhalb eines Gehäuses oder desgleichen und/oder ein Raum (Volumen) zur Ermöglichung einer Dreh- bzw. Rotationsbewegung 142', gering sein kann, wenn Die Rotationsbewegung 142' entlang der gleichen Raumrichtung angeordnet ist, wie die Vorzugs-Schwingrichtung 152. Vereinfacht ausgedrückt, benötigt der Tuning-Magnet 134 Raum für Rotation in der gleichen Richtung, in der das Feder-Masse-System 110 Raum für dessen Vibration oder Schwingung benötigt.
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5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Energiegewinnungssystems 500, das das Feder-Masse-System 110 umfasst. Die Schwingungsanordnung 114 ist als Energiegewinner, als sogenannter Energy-Harvester, gebildet und konfiguriert, um eine elektrische Energie basierend auf einer Schwingung oder Vibration 552 des Energiegewinners 114 zu erzeugen bzw. bereitzustellen. Das Energiegewinnungssystem 500 umfasst einen Sensor bzw. ein Sensorelement 540, etwa einen Temperatursensor, einen Vibrationssensor, einen Drucksensor oder einen beliebigen anderen Sensor, der mit dem Energiegewinner 114 elektrisch verbunden ist, d. h. zumindest teilweise von diesem elektrisch gespeist wird. Der Sensor 540 kann an der Struktur 550 angeordnet sein, etwa um einen Zustand derselben zu erfassen.
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Das Energiegewinnungssystem 500 ist ausgebildet, um den Sensor bzw. das Sensorelement 540 basierend auf der von dem Energiegewinner 114 erzeugten elektrischen Energie zu versorgen. Die Schwingungsvorrichtung 100 und ggf. das Sensorelement 540 ist an einer Struktur 550 angeordnet, die unter den Schwingungen und/oder Vibrationen 552 vibriert bzw. schwingt. Bei der Struktur 550 kann es sich um eine beliebige Struktur oder ein beliebiges Strukturelement handeln, beispielsweise eine Maschine, ein Flugzeug, ein Automobil, ein Gehäuse oder dergleichen bzw. Teile davon.
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Die Abstimmanordnung 130 ist ausgebildet, um bei einer Drehung des drehbar gelagerten Magnetelements, dem Tuning-Magneten, eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Feder-Masse-Systems 110 zu verändern, beispielsweise wenn sich eine harmonische Frequenz, eine Grundfrequenz und/oder eine dominante Frequenz der Schwingungen oder Vibrationen 552 im Frequenzbereich verschiebt.
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Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass ein energieautarker Betrieb des Sensorelements 540 ermöglicht ist, da eine Justage bzw. Eigenfrequenzänderung des Feder-Masse-Systems 110 mit geringem Energieaufwand möglich ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwingungstilgers 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schwingungsanordnung 114 ist als Massenobjekt gebildet, beispielsweise ein Voll- oder Hohlkörper oder ein anderes, ein Gewicht aufweisendes Objekt, das gemeinsam mit dem Federelement 112 das Feder-Masse-System 110 bildet. Basierend auf einer Anpassung der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 mittels der Abstimmvorrichtung 130 kann eine Resonanzfrequenz oder Eigenfrequenz des Schwingungstilgers 600 an veränderliche Frequenzen oder Amplituden der Vibrationen oder Schwingungen 552 der Struktur 550, an der der Schwingungstilger 600 angeordnet ist, verändert werden.
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Basierend auf durch die Schwingungen oder Vibrationen 552 angeregten Schwingungen des Feder-Masse-Systems 110 können Amplituden und/oder Frequenzen der Vibrationen 552 durch mittels des Schwingungstilgers 600 erzeugte Gegenkräfte beeinflusst werden.
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Das Energieerzeugungssystem 500 und der Schwingungstilger 600 können auch in einem gemeinsamen System realisiert werden, indem beispielsweise die Masse des Energieerzeugers 114 derart groß gewählt ist, dass eine schwingungstilgender Effekt eintritt.
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Die 7a und 7b zeigen eine exemplarische Gegenüberstellung von Rückstell-Drehmomenten, etwa dem Rückstell-Moment 162 bei verschiedenen Konfigurationen der Schwingungsvorrichtung 100. In 7a ist ein Verlauf des Rückstell-Drehmoments 162 über verschiedene Auslenkwinkel des Tuning-Magneten 134 dargestellt, wobei die Abszisse den Winkel, um den der Tuning-Magnet 134 ausgelenkt wird, darstellt. An der Ordinate ist das Rückstell-Drehmoment 162 angetragen. Mit steigendem Drehwinkel steigt das Rückstell-Drehmoment 162 bis zu einem Winkel von 90° an, um bei weiter zunehmendem Winkel α abzufallen. Bei einem Winkel α von 180° wird ein instabiles Gleichgewicht erreicht, d. h., bei geringer Auslenkung in eine Richtung im oder entgegen dem Uhrzeigersinn wird das Rückstellmoment wirksam. In 1a würde dies bspw. bedeuten, dass die Südpole der Magnete 132 und 134 gegenüberliegend angeordnet sind, bereits bei einer geringen Drehung würde das Rückstell-Drehmoment 162 versuchen, den Tuning-Magneten 134 in die dargestellte Ausrichtung zu bringen. Anders ausgedrückt zeigt 7a einen Verlauf des Rückstellmoments in Abhängigkeit der Winkelstellung des Tuning-Magneten 134. Bei 90° Verdrehung ist das Rückstellmoment am größten.
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Die Anordnung des Kompensations-Magneten 144 führt zu einer zusätzlichen Ausbildung des Kompensations-Drehmoments 164, das mit dem Rückstell-Drehmoment 162 überlagert ist. 7b zeigt einen Fall, in dem sich die beiden Drehmomente 162 und 164 nahezu aufheben. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Kopplungs-Magnet 132 und der Kompensations-Magnet 144 gleich große magnetische Kräfte auf den Tuning-Magneten 134 ausüben. Anders ausgedrückt zeigt 7b das Rückstell-Drehmoment des Tuning-Magneten 134, das sich mithilfe eines Kompensations-Magneten 144 (ggf. vollständig) kompensieren lässt.
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In anderen Worten, betrachtet man den Kopplungs-Magneten 132 und den Tuning-Magneten 134 (ohne Berücksichtigung des Kompensations-Magneten 144) in der Ausgangslage, wie sie beispielsweise in den 1a und 1b dargestellt ist, d.h. Nord- und Südpol der beiden Magneten stehen sich jeweils gegenüber, so herrscht ein stabiler Gleichgewichtszustand vor, der eine Minimierung der magnetischen Feldenergie zwischen den Magneten 132 und 134 ermöglicht. Wird nun der Tuning-Magnet 134 gegenüber dieser Ausgangslage verdreht, so stellt sich unabhängig von der Drehrichtung ein Rückstellmoment 162 ein, dessen Betrag mit zunehmendem Winkel ansteigt, wie es in der 7a dargestellt ist. Aufgrund der veränderten Feldenergie wird das Rückstell-Drehmoment generiert, dass den Tuning-Magnet 134 in die Ausgangslage zurückdrehen möchte. Dieses Rückstellmoment 162 kann bei sehr kleinen Abständen, wie sie als Abstand d1 in der 1b dargestellt sind, relativ groß werden. Dies kann dazu führen, dass ein Stellantrieb ein entsprechendes hohes Drehmoment aufbringen muss, um den Tuning-Magneten 134 verdrehen zu können. Nach einer definierten Verdrehung kann eine Anforderung darin bestehen, dass der Tuning-Magnet 134 dann auch in der entsprechenden Winkelstellung stationär, auch über einen längeren Zeitraum verharren kann.
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Dies kann beispielsweise ein entsprechendes hohes Rastmoment oder gar eine aktive Bestromung des Stellantriebs erfordern, um die Winkelstellung des Tuning-Magneten 134 halten zu können. Demzufolge kann ein entsprechend hoher Energiebedarf erforderlich sein, der jedoch den erfolgreichen Betrieb eines energieautonomen Systems zunichtemacht. Diese Beeinträchtigung kann durch die zusätzliche Anordnung des Kompensations-Magneten 144 behoben werden. Der Kompensations-Magnet 144 kann diametral gegenüberliegend zum Kopplungs-Magneten 132, beispielsweise mit einem Abstand d2 = d1 zum Tuning-Magneten 134 platziert werden, so dass die gegenüberstehenden magnetischen Pole beider Magnete (Kopplungs-Magnet und Kompensations-Magnet 132 und 134) gleich sind. Dies ermöglicht, dass der Tuning-Magnet 134 zeitgleich immer abstoßende und anziehende Kräfte erfährt. Folglich kann eine Kompensation des Rückstell-Drehmoments erreicht werden, wie es in 7b dargestellt ist. Im Ergebnis kann somit eine nahezu kraftlose Verdrehung des Tuning-Magneten 134 ermöglicht werden. Ferner kann kein oder lediglich ein geringes Haltemoment bzw. Rastmoment des Antriebs erforderlich sein, so dass die Position des Tuning-Magneten 134 in einer definierten Winkelstellung aufrechterhalten werden kann. Dies ermöglicht den Verzicht auf die Anordnung eines Getriebes zwischen dem Stellglied, beispielsweise einem Schrittmotor und dem Tuning-Magneten 134.
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Die 8a und 8b zeigen eine schematische exemplarische Gegenüberstellung eines Frequenzbereichs, in welchem die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems, etwas das Feder-Masse-System 110, basierend auf dem Abstand zwischen Kopplungs-Magnet und Tuning-Magnet, etwa der Abstand d1, einstellbar ist. Die Abszissen zeigen die Frequenzachse, die Ordinaten beispielhaft eine an einem Lastwiderstand generierbare Spannung U eines Energy-Harvesters als Maß der erhaltbaren Energie. Die Ordinate kann auch als Schwingungsamplitude einer Masse eines Schwingungstilgers interpretiert werden, was ein Maß für eine Reduzierung von Schwingungen und/oder Vibrationen sein kann. Das Federelement des Feder-Masse-Systems weist beispielsweise eine Dicke oder Länge von 0,5, 0,7 oder 1 mm auf. Der Abstand d1 beträgt beispielsweise 10 mm. Ein Frequenzbereich Δf1, in welchem die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems mittels einer Drehung zwischen 0° und 180° des Tuning-Magneten einstellbar ist, beträgt beispielsweise ca. 5 Hz.
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8b zeigt einen schematischen exemplarischen Verlauf des Frequenzbands bei einer Verringerung des Abstands d1 auf einen Wert von 6 mm. Ein Frequenzband Δf2, in welchem die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems einstellbar ist, beträgt basierend auf dem verringerten Abstand in etwa 10 Hz.
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8c zeigt eine schematische Darstellung von Eigenfrequenzverläufen der Vorrichtung 100 aus 1a und 1b bei einer Rotation des Tuning-Magneten 134 um an der Abszisse dargestellte Winkel φ. An der Ordinate sind die jeweils resultierenden Eigenfrequenzen dargestellt. Die Rotation führt zu einer Veränderung der magnetischen Kräfte, was zu einer veränderlichen Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems 110 führt. Kurvenverläufe zeigen die Variation der Eigenfrequenz bei unterschiedlichen Abständen d1 zwischen dem Tuning-Magneten 134 und dem Kopplungs-Magneten 132. Ein Kurvenverlauf 802a zeigt bspw. eine Eigenfrequenzvariation bei einem Abstand d1 von 10 mm. Ein Kurvenverlauf 802b zeigt bspw. eine Eigenfrequenzvariation bei einem Abstand d1 von 8 mm. Ein Kurvenverlauf 802c zeigt bspw. eine Eigenfrequenzvariation bei einem Abstand d1 von 6 mm. Ein Kurvenverlauf 802d zeigt bspw. eine Eigenfrequenzvariation bei einem Abstand d1 von 4 mm. Bei reduziertem Abstand d1 kann somit eine größere Variation der Eigenfrequenz erhalten werden, wobei ein Schnittpunkt der Kurvenverläufe 802a-d bei 90° anzeigt, dass dort die Eigenfrequenz unabhängig vom Abstand d1 sein kann, da sich dort Anziehungskräfte und abstoßende Kräfte zwischen Tuning-Magnet 134 und Kopplungs-Magnet 132 kompensieren. Die Kurvenverläufe 802a-d weisen einen nichtlinearen Verlauf auf. Durch eine nicht-zylindrische Form des Tuning-Magneten 134 und/oder eine veränderliche Form des Kopplungs-Magneten 132 (bspw. einen konkaven, konvexen oder polygonförmigen Umriss) kann ein demgegenüber veränderter Verlauf der Kurvenverläufe 802a-d erhalten werden, bspw. zumindest teilweise linearisiert oder verstärkt nichtlinear.
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9 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zur Abstimmung eines Feder-Masse-Systems, etwa dem Feder-Masse-System 110.
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Das Verfahren 900 umfasst einen Schritt 910, in welchem ein drehbar gelagertes Magnetelement, etwa der Tuning-Magnet 134 oder 334, um eine Rotationsachse gedreht wird, so dass eine Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems basierend auf einer magnetischen Justage-Kopplung, die basierend auf der Drehung verändert wird, verändert ist.
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Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Magnete, das bedeutet die Kopplungs-Magnete, die Tuning-Magnete und der Kompensations-Magnet so gezeigt und beschrieben wurden, dass die Magnete mit ebenen Kanten einander zugewandt angeordnet sind, können die Magnete auch gekrümmte Seiten aufweisen, wobei die Magnete beispielsweise alternierend mit konkaven und konvexen Seiten einander zugewandt angeordnet sind. Bei gleichen oder ähnlichen Krümmungsradien der konkaven oder konvexen Krümmungen ermöglicht dies bei einer Auslenkung des Feder-Masse-Systems und mithin des Kopplungs-Magneten und/oder des Tuning-Magneten einen konstanten oder nahezu konstanten Abstand zwischen dem Kopplungs-Magneten und dem Tuning-Magneten.
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Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen eine Abstimmung des Feder-Masse-Systems bzw. dessen Eigenfrequenzen wegen veränderlicher Frequenzen der Schwingungen/Vibrationen, die die Vorrichtung anregen, beschrieben wurde, kann dies auch aufgrund von veränderlichen Amplituden der Vibrationen/Schwingungen erfolgen. So kann etwa bei steigenden Amplituden ein Übersteuern des Energy-Harvesters, ein Anschlagen der Schwingungsanordnung an einem anderen Objekt und/oder eine zu große Schwingungsamplitude der Schwingungsanordnung zu vermeiden (absichtliche Verstimmung des Systems). Alternativ oder zusätzlich kann eine zu geringe Energieausbeute des Energy-Harvesters bei zu geringen Schwingungsamplituden verhindert werden, indem die Verstimmung zumindest teilweise rückgängig gemacht wird.
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Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Tuning-Magnet als Stabmagnet oder Zylindermagnet beschrieben wurde, sind auch andere Formen einsetzbar, beispielsweise eine Ringscheibenform, eine Kugelform, ein Polygonzug oder eine beliebige andere Geometrie. Eine asymmetrische Geometrie ermöglicht eine Anpassung der wirkenden magnetischen Kräfte, bei Auslenkung des Feder-Masse-Systems und/oder bei Drehung des Tuning-Magneten.
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Obwohl in vorangegangen Ausführungsbeispielen der Kopplungs-Magnet, der Tuning-Magnet und der Kompensations-Magnet stets so beschrieben wurden, dass diese jeweils einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol aufweisen, können ein oder mehrere der Magnete auch mehrere Polpaare, umfassend jeweils einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol, aufweisen.
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Obwohl in vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Kopplungs-Magnet stets mit seinem Südpol dem Tuning-Magneten zugewandt angeordnet beschrieben wurde, kann der Kopplungs-Magnet auch so angeordnet sein, dass sein Nordpol dem Tuning-Magneten zugewandt angeordnet ist. Alternativ können der Kopplungs-Magnet, der Tuning-Magnet und der optionale Kompensations-Magnet mit einer beliebigen Orientierung zueinander angeordnet werden.
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In anderen Worten beschreibt die vorliegende Erfindung einen Tuning-Mechanismus, dem ein magnetisches Konzept zugrunde liegt. Eine Einstellung der Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems kann durch einen rotatorisch gelagerten, Tuning-Magneten, wie etwa einen diametral polarisierten Zylindermagneten erreicht werden. Die Verwendung eines rotatorisch gelagerten, diametral polarisierten Zylindermagneten bringt gegenüber herkömmlichen Methoden eines translatorisch verschiebbaren Quadermagneten mehrere oben aufgeführte Vorteile mit sich. Ferner kann über eine Rotation Tuning-Magneten sowohl ein Abstoßen als auch ein Anziehen hinsichtlich des Kopplungs-Magneten erzielt werden. Dies ermöglicht einen größeren Tuning-Bereich als beim translatorischen Prinzip. Somit kann die Steifigkeit im System nicht nur erhöht, sondern auch erniedrigt werden, was zu dem größeren Tuning-Bereich führen kann. Alternativ oder zusätzlich kann bei einer Verringerung der Steifigkeit im System, etwa mittels einer entsprechenden Verringerung des Abstandes d1 oder mittels höherer magnetischen Kräfte, eine bistabile System-Konfiguration erzielt werden. Bspw. existiert ein bestimmter Grenzabstand zwischen Kopplungs- und Tuning-Magneten, bei dessen Unterschreitung das System von einer monostabilen (d. h., es existiert nur einen Gleichgewichtszustand, die mittlere Ruhelage) Konfiguration in eine bistabile Konfiguration (d. h., es gibt zwei Gleichgewichtszustände mit jeweils einer Ruhelage oberhalb und unterhalb der zuvor existierenden mittleren Ruhelage) übergeht. Eine bistabile Konfiguration kann Vorteile bei der Energiegewinnung haben, insbesondere bei Vibrationen mit breitbandigem Charakter (z.B. weißes Rauschen, oder zufällige Schwingungen wie sie durch eine Straße auf ein Auto hervorgerufen werden).
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Der rotatorisch gelagerte, diametral polarisierte Zylindermagnet in Verbindung mit einem Kompensations-Magneten führt zu weiteren Vorteilen. Aufgrund der Kompensation des Rückstellmoments ist kein Getriebe zwischen dem Tuning-Magneten und dem Stellglied erforderlich. Ein Getriebe kann jedoch angeordnet werden, um bspw. die erzeugten Stellwege und/oder Kräfte zu vergrößern oder zu verkleinern. Aufgrund der nahezu oder vollständig kraftlosen Positionierbarkeit der Winkelstellung des Tuning-Magneten ist ein sehr kleiner Antrieb mit geringer Energieaufnahme einsetzbar. Basierend auf den wesentlichen Vorteilen des neuen Tuning-Prinzips ist ein selbsteinstellbares (selbsttunendes) Energy-Harvesting-System mit positiver Energiebilanz realisierbar, etwa indem eine Anpassung der Eigenfrequenz mittels eines Regelungskreises erfolgt, der eine Anpassung basierend auf einer erfassten oder berechneten Schwingungsfrequenz, die den Energy-Harvester anregt, oder einer Regelung hin zu einem erzielten Energiemaximum ermöglicht. Zusammenfassend beschreibt diese Erfindung einen auf dem magnetischen Konzept basierenden Tuning-Mechanismus, bei dem ein rotatorisch gelagerter, diametral polarisierter (Zylinder-) Magnet und optional ein Kompensations-Magnet Verwendung finden.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Literatur
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- [1] N. Elvin, A. Erturk (2013) Advances in Energy Harvesting Methods, Springer Verlag
- [2] I.N. Ayala-Garcia, D. Zhu, M.J. Tudor, S.P. Beeby (2010) A tunable kinetic energy harvester with dynamic over range protection, Smart Mater, Struct. 19:115005
- [3] T. Reissman, E.M. Wolff, E. Garcia (2009) Piezoelectric resonance shifting using tunable nonlinear stiffness, Proc. SPIE 7288:72880G
