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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energiewandler und findet insbesondere für die Versorgung tragbarer Geräte und die Energiegewinnung aus mechanischen Bewegungen und Flüssigkeitsströmungen Anwendung.
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Die Erzeugung elektrischer Energie aus mechanischen Bewegungen erfolgt vorzugsweise mittels einer Schwingmasse, die mit einem kinetischen Konverter verbunden ist. Pendel basierte Konverter werden seit Jahren hauptsächlich in kinetischen Armbändern/Uhren eingesetzt. Ein üblicher Uhren-Mikrogenerator hat in der Regel eine halbkreisförmige Schwungmasse, die sich aufgrund der Bewegung des Arms, an dem die Uhr getragen wird, dreht. Die Rotation wird durch ein Räderwerk beschleunigt und folgend auf einen energieerzeugenden Rotor übertragen.
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Die Druckschrift
AU 2010227046 A1 bezieht sich auf einen, mit einem Pendel angetriebenen Generator, aufweisend einen Rahmen und das Pendel. Das Pendel ist insbesondere als Gegenschwungpendel ausgebildet und mit einem elektrischen Generator verbunden. Am oberen Ende des Pendels sind symmetrisch zwei Permanentmagnete angeordnet, die in Wechselwirkung mit zwei stationär angeordneten Elektromagneten stehen. Die Magneteinrichtungen arbeiten komplementär und dienen dazu, dass das Pendel in einem stationären Zustand arbeiten kann. Der obere Teil des Pendels trägt ein Lager zur Ankopplung einer Koppelstange, wodurch eine Verbindung zum Antriebsmechanismus für den Generator hergestellt wird. Des Weiteren beschreibt die Druckschrift eine Speichermöglichkeit der erzeugten elektrischen Energie des Pendels.
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In der Offenlegung
WO 2008/009123 A1 ist ein Pendelmechanismus mit einem Stromerzeugungssystem beschrieben. Das Pendel kann beidseitig der Lagerwelle Massen aufweisen, wobei diese Pendelmasse aus magnetischem Material bestehen können. Des Weiteren sind Elektromagnete angeordnet, die abstoßende Kräfte generieren. Die Elektromagnete können zudem anziehende Kräfte erzeugen. Die Pendelbewegung wird unter Zuhilfenahme von Freiläufen und weiteren mechanischen Elementen wie zum Beispiel Zahnstange/Ritzel auf die Welle übertragen, wodurch eine umlaufende Drehbewegung entsteht.
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Auf der Welle ist eine Schwungmasse angeordnet, die die Energie zwischenspeichert und für eine annähernd konstante Winkelgeschwindigkeit sorgt. Die Welle ist gemäß der Druckschrift mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt.
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In der Druckschrift
US 5,923,619 A wird eine halbkreisförmige Schwungmasse beschrieben, die durch die Schwerkraft und die Bewegungen des Arms, an dem die Uhr angeordnet ist, in Bewegung gesetzt wird.
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In der Druckschrift
US 6,441,516 B1 wird ein Generator vorgestellt, der durch die alternierende Bewegung einer Schwungmasse mit einer unausgeglichenen halbkreisförmigen Masse aktiviert wird. Die Energie wird zunächst in einer Spiralfeder mit einer elastischen Konstante gespeichert. Sobald sich die Feder entspannt, wird die gespeicherte Energie auf den Generator übertragen.
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Nachteilig bei herkömmlichen Generatoren zur Energiegewinnung auf der Basis von Schwingmassen gemäß dem Stand der Technik ist, dass eine Hin- und Herbewegung erforderlich ist. Bei unidirektionalen Bewegungen wird das Oszilliergewicht meist an einer statischen Position fixiert. Die konventionelle Gewichtsgeometrie und -konfiguration ist nicht geeignet, um kinetische Generatoren in größerem Maßstab zu entwickeln, wie sie in kinetischen Uhren verwendet werden. Bei größeren kinetischen Generatoren für Schwungmassen ist das, zum Drehen der Schwingmasse erforderliche Drehmoment relativ groß. Da Schwingmassen durch die Schwerkraft aktiviert werden, ist eine relativ große Masse erforderlich, die wiederum zu statischen Positionen der Schwingmasse führt
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energiewandler zu entwickeln, welche einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist, die Energiegewinnung aus mechanischen Bewegungen und Flüssigkeitsströmungen verbessert und in die Masse der Schwingmasse zu reduzieren wobei die statische Fixierung der Schwingmasse verhindert werden soll.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Energiewandler, weist eine, mit einem kinetischen Konverter über eine Drehachse verbundene, Schwingmasse mit oszillierender Drehbewegung und wenigstens einen zu der Drehachse beabstandeten Magnethalter mit einem äußeren Magnet auf, wobei die Schwingmasse eine Längsachse mit einer zentralen Aufnahme der Drehachse aufweist, wobei die Schwingmasse in Form eines, sich entlang der Längsachse erstreckenden ersten Schleppflügels und eines dem ersten Schleppflügel gegenüberliegenden zweiten Schleppflügel ausgebildet ist, wobei der erste und/oder zweite Schleppflügel mit einer zusätzlichen Masse koppelbar ist und wobei der erste und zweite Schleppflügel in einem äußeren Randbereich wenigstens je einen inneren Magnet aufweisen derart, dass die inneren Magnete der Schleppflügel zu den äußeren Magneten des Magnethalters in einer Endposition der Schwingmasse abstoßend zusammenwirken.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen, dem ersten Magnethalter gegenüberliegenden zweiten Magnethalter mit wenigstens einem zweiten äußeren Magnet auf. Besonders bevorzugt weist der Magnethalter an einer ersten Seitenfläche einen ersten Magnet und an der gegenüberliegenden Seitenfläche einen zweiten Magnet auf.
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Vorteilhafter Weise sind die inneren Magnete der Schleppflügel und die äußeren Magnete der Magnethalter auf einer gemeinsamen Kreisbahn um die Drehachse der Schwingmasse angeordnet. Bei der Nutzung von zwei Magnethaltern sind die Schleppflügel und Magnethalter im Wechsel angeordnet. Dabei wirken die Magnete derart zusammen, dass bei einer oszillierenden Bewegung ein innerer Magnet auf einen äußeren Magnet des Magnethalters zubewegt wird, wobei die Magnete derart gepolt sind, dass sie sich abstoßen und so eine Umkehrbewegung der Schwingmasse eingeleitet wird.
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Eine statische Fixierung wird bevorzugt vermieden, in dem der erste Schleppflügel eine zu dem zweiten Schleppflügel sich unterscheidende Masse aufweist derart, dass die Schleppflügel eine unausgeglichene Struktur aufweisen.
Dabei kann der erste Schleppflügel eine Aussparung aufweisen, wodurch seine Masse gegenüber dem zweiten Schleppflügel verringert wird. Als zusätzliche Unterscheidung der Struktur und der zugehörigen Masse kann der zweite Schleppflügel die zusätzliche Masse in Form eines Zusatzgewichts aufweisen, der an dem Schleppflügel verschraubt ist.
Des Weiteren kann auch eine Montage eines Zusatzgewichts an dem ersten Schleppflügel vorgesehen sein, wobei das Verhältnis der Massen des ersten und zweiten Schleppflügels berücksichtigt werden sollten.
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Die inneren Magnete sind bevorzugt in Endbereichen der Schleppflügel angeordnet, wobei der erste und zweite Schleppflügel in den Seitenflächen Vertiefungen für die Aufnahme der inneren Magnete aufweisen. So können diese in den Schleppflügeln exakt positioniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Konverter und der wenigstens eine Magnethalter über ein Gehäuse miteinander starr verbunden. Das Gehäuse kann in Form eines Gestells oder einer Grundplatte ausgebildet sein.
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Für eine optimale Funktionalität ist die Schwingmasse aus einem nicht magnetischen Material gefertigt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Schwungmassengeometrie vor, die in kinetische Wandler mit ähnlichem Funktionsprinzip wie bei der kinetischen Uhr integriert werden können. Die Vorrichtung ermöglicht die Skalierbarkeit der kinetischen Wandler der Schwungmasse. Sie verhindert eine statische Position der Schwungmasse und verbessert die Leistung des Konverters durch die abstoßende Kraft, die den Konverter empfindlicher für kleine und unidirektionale Schwingungen macht.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Es zeigen:
- 1 eine Schwingmasse mit zwei Magnethaltern,
- 2 eine Ansicht der Schwingscheibe und der Magnethalter von unten,
- 3 eine Draufsicht gemäß der Anordnung nach 1 und 2,
- 4 eine Vorrichtung mit einer Schwingscheibe und Konverter,
- 5 eine Detailansicht des Magnethalters gemäß 4.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Schwingmasse 1, die in Form einer nicht kreisförmigen Schwingmasse 1 mit einer Längserstreckung entlang einer Längsachse A mit einem ersten Schleppflügel 2 und einem zweiten Schleppflügel 3 ausgebildet ist. In dem ersten Schleppflügel 2 ist eine Aussparung 4 eingebracht. Diese Aussparung 4 wird insbesondere mittels Bohrens eingebracht.
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Um eine unausgeglichene Struktur der Schwingmasse 1 zu erhalten, ist an dem zweiten Schleppflügel 3 im Randbereich an der Unterseite eine zusätzliche Masse 5 verbaut. Diese zusätzliche Masse 5 wird bevorzugt mittels einer Schraubverbindung mit dem zweiten Schleppflügel 3 verbunden. Besonders bevorzugt greift die zusätzliche Masse 5 die Kontur des zweiten Schleppflügels 3 im Randbereich auf.
In den Randbereichen des ersten und zweiten Schleppflügels 2, 3 sind in den Seitenflächen im Randbereich Vertiefungen mit inneren Magneten 6 eingebracht. Insgesamt weist die Schwingmasse 1 vier innere Magnete 6, einen je Eckbereich auf.
Die Schwingmasse 1 weist eine zentrale Aufnahme 7 für eine Drehachse 8 auf, die mit einem nicht dargestellten kinematischen Konverter verbunden ist.
Zu der Längsachse A der Schwingmasse 1 sind senkrecht ein erster Magnethalter 9 und diesem gegenüberliegend ein zweiter Magnethalter 10 angeordnet. Der erste und zweite Magnethalter 9, 10 weisen äußere Magnete 11 auf, welche mit den inneren Magneten 6 der Schwingmasse 1 auf einer Kreisbahn K liegen.
In den Magnethaltern 9, 10 sind je Seite ein äußerer Magnet 11, also insgesamt ebenfalls vier äußere Magnete 11 vorgesehen.
Die inneren und äußeren Magneten 6, 11 sind derart zueinander ausgerichtet, dass zwischen ihnen eine abstoßende Kraft wird. So wird die Schwingmasse 1 in einer Endlage der oszillierenden Bewegung durch die Magnete 6, 11 aus einer stationären Lage bewegt. Dazu wird insbesondere eine ungleiche Struktur des ersten und zweiten Schleppflügels 2, 3 erzeugt, wobei sowohl an dem ersten Schleppflügel 2, als auch an dem zweiten Schleppflügel 3 eine zusätzliche Masse 5 montiert werden kann. Dafür sind an den Unterseiten der Schleppflügel 2, 3 im Randbereich je eine Bohrung 12 vorgesehen, in die eine Schraube 13 einsetzbar ist, wobei die Schraube 13 die Masse 5 durchschraubt.
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Der erste und zweite Magnethalter 9, 10 weist gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung an der Oberseite je eine Öffnung 14 für zusätzliche nicht dargestellte Magnete auf. Diese Magnete dienen der Befestigung der Magnete 11, welche in den dafür vorgesehenen Öffnungen angeordnet sind. Die Magnethalter 9, 10 sind bevorzugt mit dem kinetischen Konverter verbunden.
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Eine derartige Ausgestaltung einer Vorrichtung ist in 4 dargestellt. Die Schwingmasse 1 weist eine zusätzliche Masse 5 auf, die an einer Seite der Schwingmasse 1 montiert ist. Die Schwingmasse 1 ist über die Drehachse 8 mit dem kinetischen Konverter 15 verbunden. Der Konverter 15 ist mittels einer Grundplatte 16 mit dem ersten und zweiten Magnethalter 9, 10, wobei die Magnethalter 9, 10 zueinander mittels einer Platte 17 abgestützt werden.
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In 5 ist eine Detailansicht von einem der beiden Magnethalter 9, 10 dargestellt. Der erste und zweite Magnethalter 9, 10 weist an der Oberseite je eine Öffnung 14 auf, in die die Haltemagnete 18 eingeschoben werden. Diese Haltemagnete 18 dienen der Befestigung der Magnete 11, welche in den dafür vorgesehenen Öffnungen angeordnet sind. In einer alternativen Ausgestaltung können die Magnete 11 direkt durch die Öffnungen in den Magnethalter 9, 10 eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingmasse
- 2
- Erster Schleppflügel
- 3
- Zweiter Schleppflügel
- 4
- Aussparung
- 5
- Masse
- 6
- Innere Magnete
- 7
- Aufnahme
- 8
- Drehachse
- 9
- Erster Magnethalter
- 10
- Zweiter Magnethalter
- 11
- Äußere Magnete
- 12
- Bohrung
- 13
- Schraube
- 14
- Öffnung
- 15
- Konverter
- 16
- Grundplatte
- 17
- Platte
- 18
- Haltemagnete
- A
- Längsachse
- K
- Kreisring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- AU 2010227046 A1 [0003]
- WO 2008/009123 A1 [0004]
- US 5923619 A [0006]
- US 6441516 B1 [0007]
