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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Vorrichtung umfasst hierzu eine Schwingmasse und mindestens ein piezoelektrisches Element.
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Mit Hilfe des piezoelektrischen Elements soll die Bewegungsenergie der Schwingmasse in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieumwandlung beruht dabei auf dem piezoelektrischen Effekt.
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Stand der Technik
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Die Umwandlung von in der Umwelt vorkommender Energie in elektrische Energie unter Zuhilfenahme eines elektrischen Wandlers, insbesondere in Form einer Spule oder einer Piezokeramik, wird auch „Energy Harvesting“ genannt. Beispiele für in der Umwelt vorkommende Energieformen sind Strahlungs- und Bewegungsenergie. Vibrationen, wie sie beispielsweise beim Betrieb von Maschinen auftreten, können auf diese Weise in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei werden typischerweise Leistungen im mW-Bereich erzeugt. Diese eröffnen Anwendungsmöglichkeiten mit elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise energieautarken Sensoren oder Telematikeinheiten.
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Systeme, die Energy Harvesting aus Bewegungsenergie ermöglichen, sind in der Regel als schwingfähige Systeme, insbesondere als Feder-Masse-Systeme, aufgebaut. Diese weisen ein PT2-Verhalten mit Resonanzfrequenz, Verstärkungsfaktor und Bandbreite auf. Ein optimaler Leistungsertrag findet bei einer Anregung im Bereich der Eigenfrequenz statt, so dass das System derart ausgelegt sein sollte, dass die Eigenfrequenz zum Anregungsspektrum passt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 043 218 A1 ist ein piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie bekannt, der eine Einkoppelmasse und mindestens ein piezoelektrisches Element umfasst, wobei die Einkoppelmasse und das piezoelektrische Element mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Einkoppelmasse ist hierzu in einer Ausnehmung eines Trägers angeordnet, so dass eine Bewegung der Einkoppelmasse in der Ausnehmung zu einer Auslenkung des piezoelektrischen Elements führt. Um eine effiziente Umwandlung von mechanischer Energie in elektrischer Energie zu ermöglichen, ist das piezoelektrische Element lediglich an einem Seitenrand mit dem Träger verbunden. Bei entsprechender Ausgestaltung des Energiewandlers soll ein nicht resonanter Betrieb und damit eine breitbandige Anregung bei gleichbleibender hoher Effizienz der Energieumwandlung möglich sein. Anwendung findet der Energiewandler in energieautarken Systemen, vorzugsweise wird der Energiewandler für Reifenkontrollsysteme eingesetzt.
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Die Effizienz der Energieumwandlung beim Energy Harvesting kann ferner dadurch gesteigert werden, dass die schwingfähige Masse maximiert wird. Der Maximierung der Masse sind jedoch in der Regel durch Bauraum- und/oder Gewichtsbeschränkungen enge Grenzen gesetzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie anzugeben, die effizient und zugleich hinsichtlich Bauraumbedarf und/oder Gewicht optimiert ist. Auf diese Weise soll ein Energiewandler geschaffen werden, der vielseitig einsetzbar und/oder an die jeweiligen Einsatzbedingungen leicht anpassbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Schwingmasse und mindestens ein piezoelektrisches Element. Erfindungsgemäß sind die Schwingmasse und das piezoelektrische Element über eine hydraulische Übersetzungseinrichtung gekoppelt, die ein hydraulisches Kopplervolumen und zwei sich am Kopplervolumen gegenüberliegende Initialkolben umfasst, welche bei einer Schwingungsanregung der Schwingmasse abwechselnd in Eingriff mit der Schwingmasse bringbar sind.
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Die hydraulische Kopplung der Schwingmasse mit dem mindestens einen piezoelektrischen Element besitzt den Vorteil, dass die Kraftübertragung berührungsfrei erfolgt. Über die Lebensdauer tritt somit kein Kontaktverschleiß ein, der kompensiert werden müsste, um eine Drift der Einstellwerte zu verhindern. Ferner erleichtert das hydraulische Kopplervolumen den Einstellprozess, da die Einstellung einmalig beim Befüllen des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium, beispielsweise mit Öl oder Wasser, vorgenommen wird.
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Ferner kann über die hydraulische Kopplung in einfacher Weise eine Kraftübertragung bzw. Kraftverstärkung erzielt werden, die den Leistungsertrag steigert und/oder den Einsatz einer vergleichsweise kleinen Schwingmasse ermöglicht. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Eigenfrequenz der Schwingmasse optimal an das Anregungsspektrum anpassbar ist.
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Darüber hinaus kommen bei der vorgeschlagenen Vorrichtung zwei Initialkolben zum Einsatz, die sich am Kopplervolumen gegenüberliegen. Das heißt, dass unabhängig von der Bewegungsrichtung der Schwingmasse sich immer ein Initialkolben mit der Schwingmasse bewegt und zwar relativ zum jeweils anderen Initialkolben. Auf diese Weise verkleinert oder vergrößert sich das Kopplervolumen bzw. steigt der Druck im Kopplervolumen an oder fällt ab. Durch die Druckänderung im Kopplervolumen wird das mindestens eine piezoelektrische Element be- oder entlastet. Bei einer Belastung wird das mindestens eine piezoelektrische Element in axialer Richtung gestaucht und erzeugt aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung. Diese kann dann zum Betrieb einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung, beispielsweise eines Sensors, einer Schaltung oder einer Funkeinheit, verwendet oder gespeichert werden.
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Durch die Nutzung der Bewegungsenergie der Schwingmasse in beide Bewegungsrichtungen kann der Leistungsertrag deutlich gesteigert werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist somit besonders effizient betreibbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kopplervolumen in der Schwingmasse ausgebildet und die Initialkolben ragen in das Kopplervolumen hinein. Das Kopplervolumen bewegt sich somit ebenfalls mit der Schwingmasse und der jeweils stillstehende Initialkolben taucht bei einer Bewegung der Schwingmasse tiefer in das Kopplervolumen ein. Zugleich wird eine besonders kompakt bauende Anordnung erreicht.
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Ferner bevorzugt sind die beiden Initialkolben relativ zueinander beweglich in der Schwingmasse oder in einem mit der Schwingmasse verbundenen Führungskörper gelagert. Die direkte Lagerung der Initialkolben in der Schwingmasse verringert die Anzahl der erforderlichen Dichtstellen, um eine Leckage aus dem Kopplervolumen zu verhindern. Die Lagerung in einem Führungskörper erleichtert die Montage.
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Die Schwingmasse ist vorzugsweise hin und her beweglich geführt oder über ein Drehlager verschwenkbar gelagert, und zwar in der Weise, dass sie sich bei Anregung im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Initialkolben bewegt. Dadurch ist sichergestellt, dass die beiden Initialkolben abwechselnd in Eingriff mit der Schwingmasse gelangen. Das Drehlager kann beispielsweise über ein Wälzlager realisiert werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die beiden Initialkolben jeweils in Richtung eines außerhalb der Schwingmasse liegenden Anschlags mittels der Federkraft einer Feder axial vorgespannt sind. Die Federkraft der Feder hält den jeweils nicht in Eingriff mit der Schwingmasse stehenden Initialkolben in Kontakt mit dem Anschlag, während sich der andere Initialkolben auf ihn zubewegt. Die Feder ist vorzugsweise im Kopplervolumen zwischen den beiden Initialkolben angeordnet, so dass nur eine Feder erforderlich ist und eine kompaktbauende Anordnung erreicht wird. Zugleich bewirkt die Federkraft der Feder eine Rückstellung der mitgeführten Initialfeder, wenn sich die Bewegungsrichtung der Schwingmasse umkehrt.
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Bevorzugt weisen beide Initialkolben jeweils einen ringförmigen Absatz auf, über den sie in Eingriff mit der Schwingmasse bringbar sind. Der ringförmige Absatz kann beispielsweise durch eine gestufte Ausführung der Initialkolben oder durch einen Bundabschnitt gebildet werden. Der Bundabschnitt weist den Vorteil auf, dass die dem Kopplervolumen zugewandte Fläche zur Abstützung der im Kopplervolumen angeordneten Feder genutzt werden kann. Sowohl in der gestuften Ausführung als auch in der Ausführung mit Bundabschnitt kann der Initialkolben ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Initialkolben aus mindestens zwei Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern zusammengesetzt sein. Ferner kann zur Ausbildung eines Bundabschnitts ein Ringkörper auf den Initialkolben aufgesetzt und mit diesem kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Die gebaute Ausführung erleichtert die Fertigung und die Montage des Initialkolbens.
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Vorteilhafterweise ist die Schwingmasse in Richtung eines ringförmigen Absatzes eines Initialkolbens über die Federkraft einer Feder vorgespannt. Dadurch ist sichergestellt, dass in Ruhelage der Schwingmasse bereits ein Initialkolben in Eingriff mit der Schwingmasse steht, so dass die Schwingungsanregung der Schwingmasse direkt zu einer Druckänderung im Kopplervolumen führt.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine piezoelektrische Element mit einem das Kopplervolumen begrenzenden Kopplerkolben verbunden ist. Die Druckänderung im Kopplervolumen wirkt somit nicht unmittelbar auf das mindestens eine piezoelektrische Element, sondern mittelbar über den Kopplerkolben. Dadurch kann eine gleichmäßige Kraftübertragung und in Abhängigkeit von der hydraulischen Wirkfläche des Kopplervolumens zugleich eine Kraftübersetzung erreicht werden. Die Wirkfläche des Kopplerkolbens ist hierzu bevorzugt größer als die jeweilige hydraulische Wirkfläche der Initialkolben gewählt, wobei das Flächenverhältnis das Übersetzungsverhältnis bestimmt. Vorzugsweise ist der Kopplerkolben senkrecht zur Bewegungsrichtung der Initialkolben axial verschiebbar in der Schwingmasse aufgenommen und mittels der Federkraft einer Feder axial vorgespannt. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt.
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Um über die Lebensdauer der Vorrichtung die anfänglichen Einstellwerte beizubehalten, gilt es eine Leckage aus dem Kopplervolumen zu vermeiden. Daher wird ferner vorgeschlagen, dass das Kopplervolumen durch mindestens einen Dichtring nach außen abgedichtet ist. Da insbesondere die Führungen der Initialkolben und/oder die Führung des Kopplerkolbens leckagebehaftet sind bzw. ist, ist vorzugsweise mindestens ein Dichtring als Gleitdichtring ausgeführt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das hydraulische Kopplervolumen über ein Ventil mit einem hydraulischen Ausgleichsvolumen verbindbar ist. Denn sollte im Wege der Leckage Hydraulikmedium aus dem Kopplervolumen verloren gehen, kann über das Ventil eine Verbindung mit dem Ausgleichsvolumen hergestellt und ein Druckausgleich bewirkt werden. Vorzugsweise ist das Ventil als Rückschlagventil ausgebildet, das öffnet, wenn der Druck im Kopplervolumen unterhalb des Drucks im Ausgleichsvolumen fällt. Der Druckausgleich erfolgt somit automatisch. Damit der Druck im Ausgleichsvolumen über die Lebensdauer konstant bleibt, kann ein federbelasteter Kolben zur Begrenzung des Ausgleichsvolumens eingesetzt werden. Über die Federkraft der Feder ist der Druck im Ausgleichsvolumen einstellbar.
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Des Weiteren bevorzugt ist ein Füllventil zur Befüllung des Kopplervolumens mit einem Hydraulikmedium vorgesehen. Das Füllventil kann in die Schwingmasse eingesetzt sein. Mittels des Füllventils kann insbesondere die erstmalige Befüllung des Kopplervolumens mit dem Hydraulikmedium bewirkt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden bevorzugt mehrere piezoelektrische Elemente in gestapelter Anordnung Einsatz. Derartige Anordnungen sind auch als Piezomodul bzw. Piezostack bekannt. Auf diese Weise kann die Leistungsdichte erhöht werden. Bekannte Anwendungen derartiger Module sind beispielsweise Kraftstoffinjektoren, in denen sie als Schaltelemente dienen. Bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann demnach auf bereits bestehende Piezomodule zurückgegriffen, so dass sie kostengünstig umsetzbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Abwandlung der Ausführungsform der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die Vorrichtung der 1 umfasst eine Schwingmasse 1, die länglich gestaltet und über ein endseitig ausgebildetes Drehlager 8 dreh- bzw. schwenkbar gelagert ist. Das Drehlager 8 ist als Wälzlager ausgebildet. Bei einer Schwingungsanregung bewegt sich demnach die Schwingmasse 1 um das Drehlager 8 auf und ab (siehe Pfeil).
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In der Schwingmasse 1 ist ein Piezomodul aufgenommen, das mehrere piezoelektrische Elemente 2 in gestapelter Anordnung umfasst. Ferner ist eine hydraulische Übersetzungseinrichtung 3 vorgesehen, mittels welcher die Schwingmasse 1 und das Piezomodul hydraulisch gekoppelt sind. Die hydraulische Übersetzungseinrichtung 3 umfasst ein Kopplervolumen 4, das in der Schwingmasse 1 ausgebildet ist, sowie zwei Initialkolben 5, 6, die sich am Kopplervolumen 4 gegenüberliegen. Die Initialkolben 5, 6 sind axial beweglich in der Schwingmasse 1 aufgenommen, und zwar in der Weise, dass sich die Schwingmasse 1 bei Anregung im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Initialkolben 5, 6 bewegt. Eine Feder 10, die zwischen den beiden Initialkolben 5, 6 im Kopplervolumen 4 angeordnet ist, drückt die beiden Initialkolben 5, 6 auseinander. In Abhängigkeit von der Lage der Schwingmasse 1 gelangt somit jeder Initialkolben 5, 6 zur Anlage an einem Anschlag 9, der außerhalb der Schwingmasse 1 ausgebildet ist und vorliegend als eine die Schwingmasse 1 umgreifende Klammer ausgebildet ist, so dass jedem Initialkolben 5, 6 ein Anschlag 9 zugeordnet ist. Eine weitere Feder 12 dient der Vorspannung der Schwingmasse 1 in Richtung eines ringförmigen Absatzes 11 des Initialkolbens 5, der durch einen Bundabschnitt bzw. einen mit dem Initialkolben 5 fest verbundenen Ringkörper 24 gebildet wird. Auch der weitere Initialkolben 6 weist einen solchen Bundabschnitt bzw. Ringkörper 24 zur Ausbildung eines ringförmigen Absatzes 11 auf, so dass die Initialkolben 5, 6 abwechselnd in Eingriff mit der Schwingmasse 1 bringbar sind, wenn diese zum Schwingen angeregt wird.
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Der jeweils in Eingriff mit der Schwingmasse 1 stehende Initialkolben 5, 6 wird dann über die Schwingmasse 1 entgegen der Federkraft der Feder 10 in Richtung des anderen Initialkolbens 6, 5 bewegt, so dass sich das Kopplervolumen 4 verkleinert. Dies führt zu einem Druckanstieg im Kopplervolumen 4, der eine hydraulische Druckkraft auf einen Kopplerkolben 13 bewirkt, der mittels der Federkraft einer Feder 14 gegen das Piezomodul vorgespannt ist. Die auf den Kopplerkolben 13 wirkende hydraulische Druckkraft führt somit zu einer Stauchung des Piezomoduls. Dabei wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Über nach außen geführte elektrische Anschlussleitungen 22 wird die elektrische Spannung einem Verbraucher oder Speicher zugeführt.
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Ändert die Schwingmasse 1 ihre Bewegungsrichtung, drückt die Feder 10 den mitgeführten Initialkolben 5 zurück gegen den Anschlag 9, worauf der Druck im Kopplervolumen 4 zunächst wieder abfällt und das Piezomodul entlastet wird. Anschließend gelangt der andere Initialkolben 6 in Eingriff mit der Schwingmasse 1 und führt auf diese Weise zu einem erneuten Druckanstieg im Kopplervolumen 4. Die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie ist demnach unabhängig von der Bewegungsrichtung der Schwingmasse 1, so dass ein hoher Leistungsertrag erzielt wird.
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Um die Funktionsweise über die Lebensdauer der Vorrichtung zu erhalten, ist das Kopplervolumen 4 über Dichtringe 17, 18 nach außen abgedichtet. Erste Dichtringe 17 sind jeweils im Führungsbereich der Initialkolben 5, 6 vorgesehen. Ein weiterer Dichtring 18 ist im Führungsbereich des Kopplerkolbens 13 angeordnet. Die Dichtringe 17, 18 sind jeweils als dynamisch belastbare Gleitdichtringe ausgebildet. Ferner ist ein Ventil 15 vorgesehen, über welches das Kopplervolumen 4 mit einem Ausgleichsvolumen 16 verbindbar ist. Das Ventil 15 ist als einfaches Rückschlagventil ausgebildet, das öffnet, wenn der Druck im Kopplervolumen 4 unter dem Druck im Ausgleichsvolumen 16 liegt. Das Ausgleichsvolumen 16 wird von Kolben 20 begrenzt, der durch die Federkraft einer Feder 21 vorgespannt ist. Auf diese Weise bleibt der Druck im Ausgleichsvolumen 16 konstant.
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Ferner ist ein Füllventil 19 vorgesehen, über welches die erstmalige Befüllung der Vorrichtung mit einem Hydraulikmedium, vorzugsweise einem Hydrauliköl, erfolgt.
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Die in der 2 dargestellte Abwandlung weist im Unterschied zur Ausführungsform der 1 Führungskörper 7 auf, die in die Schwingmasse eingesetzt, vorliegend eingeschraubt, sind und der Führung der Initialkolben 5, 6 dienen. Ein Dichtring 23 dichtet jeweils den Spalt zwischen den Initialkolben 5, 6 und der Schwingmasse 1 ab. Da die Dichtringe 23 nicht dynamisch belastet werden, können sie als einfache Dichtringe ausgebildet sein.
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Die Führungskörper 7 erleichtern die Montage der Vorrichtung. Denn vor dem Einschrauben der Führungskörper 7 in die Schwingmasse 1 können die Initialkolben 5, 6 in die Führungskörper 7 eingesetzt werden. Die Initialkolben 5, 6 können demzufolge einteilig ausgebildet werden, so dass Ringkörper 24 zur Ausbildung der ringförmigen Absätze 11 (siehe 1) verzichtbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009043218 A1 [0005]
