DE10315765B4

DE10315765B4 - Elektromagnetischer Energiewandler

Info

Publication number: DE10315765B4
Application number: DE10315765A
Authority: DE
Inventors: Frank Schmidt
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: DE502004011924D1; DE10315765C5; EP2264875A1; EP1611662B1; US7710227B2; US20120293288A1; DE112004001064D2; US20100194213A1; DE10315765A1; US20060091984A1; WO2004093299A1; US8228151B2; US8704625B2; US20110285487A1; EP1611662A1

Abstract

Elektromagnetischer Energiewandler mit zumindest jeweils einem Permanentmagneten (1) und einem relativ dazu beweglichen Element (5), das von einer elektrischen Spule (6) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei in einer ersten Ruhelage des beweglichen Elements (5), ein magnetischer Fluss durch das bewegliche Element (5) geschlossen ist und wobei eine Bewegung des beweglichen Elements (5) in eine zweite Ruhelage eine Umkehrung des magnetischen Flusses im beweglichen Element bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetischen Nord- und Südpole (2, 3) des Permanentmagneten (1) jeweils an den Enden des beweglichen Elementes (5) gegenüber befinden, wobei Anschläge (8a, 8b, 8c, 8d) für das bewegliche Element (5) gebildet sind.

Description

Funkschalter werden bislang mit Batterien, oder auch mit z.B. piezoelektrischen Energiewandlern betrieben.
Energieautarke Funkschalter und Funksensoren können ohne einen Energiespeicher kurzzeitig betrieben werden, indem durch manuelle oder anderweitige mechanische Betätigung Energie zur Verfügung gestellt und mit einem nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Wandler in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Aus Druckschrift DE 198 52 470 A1 ist ein elektromagnetisches Energieerzeugungssystem bekannt, bei dem unter Anwendung des elektromagnetischen Induktionsgesetzes mittels Magneten, insbesondere Dauermagneten, sowie Induktionsspulen eine magnetische Feldänderung eine Erzeugung einer elektrischen Spannung bewirkt. Die Induktionsspule umfasst einen U-förmigen Kern, dessen Enden zueinander beabstandet sind und magnetische Pole des Kerns bilden. Durch eine Änderung der relativen Lage der Pole der Magneten, zu den Polen des Kerns der Induktionsspule wird eine Änderung des magnetischen Flusses erzeugt. Ein mechanischer Schwingkreis ist gebildet durch eine federnd montierte Tragschiene. An dieser sind in dem gleichen Abstand in dem die magnetischen Pole des Kerns der Induktionsspule beabstandet sind, zumindest drei Dauermagnete mit wechselnder Polarität befestigt. Der mechanische Schwingkreis schwingt in einer axialen Richtung der Tragschiene, so dass sich die Pole unter Beibehaltung eines Luftspaltes jeweils paarweise abwechselnd direkt gegenüber den Polen des Spulenkerns befinden.

Aus Druckschrift DE 198 18 580 A1 ist ein Generator zu einer Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Energieimpulse gezeigt, bei dem ein induzierender Magnet vor Erzeugung eines elektri schen Energieimpulses in einer von einer Induktionsspule beabstandeten Ausgangsstellung steht. Vor der Induktionsspule ist mindestens ein Magnet stationär angeordnet. Dieser erzeugt ein Magnetfeld mit einer solchen Ausrichtung der Polarität, dass es für den induzierenden Magneten ein vor der Induktionsspule angeordnetes Hindernis darstellt, Mittels mechanisch eingebrachter Energie wird der induzierende Magnet entgegen diesem Hindernis durch das Magnetfeld bewegt, und wird nach Überwindung des Magnetfeldes durch das selbige Magnetfeld in Richtung der induzierenden Spule beschleunigt.

Druckschrift DE 101 25 059 A1 zeigt einen induktiven Spannungsgenerator mit einem mechanischen Energiespeicher zur Aufnahme von nicht-elektrischer Primärenergie und mindestens ein damit koppelbares Induktionssystem. Dabei wird die Primärenergie bis zu einem Umschlagpunkt in den Spannungsgenerator eingebracht, und nach Erreichen des Umschlagpunktes am Induktionssystem eine Bewegung angeregt, die zu einer schlagartigen Änderung des magnetischen Flusses führt. Dies ist dadurch erreicht, dass am Ende der Bewegung oder am Anfang der Bewegung ein Dauermagnet auf einen weichmagnetischen Kern aufschlägt und damit in einer Spule, die den Kern umgibt, elektrische Spannung induziert wird.

Aus der Druckschrift US 3,984,707 ist ein Signalgenerator bekannt, bei dem mittels eines Tasters ein dauermagnetischer Kern in eine Spule entgegen einer Federkraft eingetaucht wird und der Kern bei Nachlassen der Federkraft aus der Spule austaucht und somit eine Spannung in der Spule induziert wird.

Die Druckschrift GB 856 607 zeigt einen elektrischen Pulsgenerator bei dem eine Spule und ein Magnet zueinander beweglich angeordnet sind. Um den magnetischen Fluss durch die Spule zu variieren und damit elektrische Spannung zu induzieren, ist ein Element vorgesehen, das gegenüber der Spule fixiert ist und an welches der Magnet in einer Ruheposition durch magnetische Kraft angeordnet ist. Ein handbetriebenes Element wird dazu verwendet, die magnetische Anziehungskraft zwischen Magnet und dem vorgenannten Element zu überwinden, so dass die Spule sich relativ zu dem Magneten bewegt.

Aus der Druckschrift US 3,693,033 ist ein elektrischer Impulsgenerator als Taster gezeigt, bei dem ein Permanentmagnet durch den Taster bewegt wird, wobei der Permanentmagnet einen weichmagnetischen Kern enthält, der durch die Bewegung des Tasters in eine Spule eintaucht. Der Permanentmagnet wird durch ein Magnetfeld eines weiteren Permanentmagneten gehalten, welches durch die eingebrachte mechanische Energie über den Taster überwunden wird und nach dem Überwinden dieses Magnetfeldes ein schnelles Eintauchen in die Spule erfolgt. Somit wird in der Spule kurzzeitig ein elektrisches Signal erzeugt.

Die Druckschrift DE 100 11 448 A1 zeigt einen Generator zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft unter Verwendung eines Magnetbündels, bei dem ein in eine Spule eingepasstes Magnetbündel durch Zusammenbau einer großen Anzahl Magnetelemente gebildet ist. Das Magnetbündel umfasst eine feste Magnetkomponente mit magnetischer Anisotropie und ist in einer vorgegebenen Richtung gekoppelt. Dabei sind die Magnetkomponenten mit einer bistabilen Magnetkomponente auf einer Achse angeordnet. Eine elektromagnetische Spule ist vorgesehen, die um das Magnetbündel gewickelt ist, so dass die Magnetflüsse in dem Magnetbündel verkettet sind. Eine Einrichtung zum Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ist vorgesehen, um ein Mag netfeld an das in die Spule eingepasste Magnetbündel anzulegen.

Nachteilig an den bekannten Systemen oder Energiewandlern ist, dass bauartbedingt die damit erzeugte Menge an gewandelter Energie nicht ausreicht, um energieautarke Systeme wie zum Beispiel Funkschalter oder Funksender die über keine batteriebetriebene oder drahtgebundene Energieversorgung verfügen, mit elektrischer Energie zu versorgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Energiewandler in einer miniaturistischen Ausführungsform vorgesehen sind. Als Grundregel kann auch bei der Wandlung von mechanischer in elektrische Energie mit den vorgenannten Vorrichtungen und Systemen gelten, dass mit zunehmender Größe des elektromagnetischen Wandlers die Wirkungsgrade steigen, und damit auch die gewandelte Menge an elekrischer Energie im Bezug auf die Menge eingebrachter mechanischer Energie steigt. Das heißt im Umkehrschluss, je kleiner ein elektromagnetischer Wandler sein soll, umso größer werden die im elektromagnetischen Wandler bedingten Anteile der Verlustenergie, beziehungsweise umso geringer wird der Wirkungsgrad.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetischen Energiewandler vorzuschlagen, der für miniaturisierte energieautarke Systeme, wie insbesondere Funkschalter, eine Energieversorgung darstellt die zum Zeitpunkt des Energiebedarfs ausreichend Energie zum Betrieb des Systems, zum Beispiel des Funkschalters zur Verfügung stellt.

Dies Aufgabe wird durch die Massnahmen des Patentanspruch 1 gelöst und mit den Massnahmen der untergeordneten Patentansprüche 2 bis 12 in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Dabei ist ein elektromagnetischer Energiewandler mit zumindest jeweils einem Permanentmagneten und einem relativ dazu beweglichen Element vorgesehen, das von einer elektrischen Spule zumindest teilweise umschlossen ist. Dabei ist in einer ersten Ruhelage des beweglichen Elements, ein magnetischer Fluss durch das bewegliche Element geschlossen. Eine Bewegung des beweglichen Elements in eine zweite Ruhelage bewirkt eine Umkehrung des magnetischen Flusses im beweglichen Element. Die magnetischen Nord- und Südpole des Permanentmagneten befinden sich jeweils gegenüber an den Enden des beweglichen Elementes, wobei Anschläge für das bewegliche Element gebildet sind.

Die Erfindung besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführung des Energiewandlers, durch die es möglich wird:

– Bei Krafteinwirkung und zusätzlich beim Nachlassen der Kraft Energie zu wandeln
– Eine von der Betätigungsgeschwindigkeit unabhängige Mindestenergie zu wandeln
– Auf einfache Weise Kippschalter sowie Taster zu realisieren
– Mehrere verschiedene Schaltbefehle mit nur einem Energiewandler zu erzeugen.

1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Energiewandlers. Ein Permanentmagnet (1) befindet sich in einem Magnetkreis aus weichmagnetischem Material wie Eisen, Ferrit, oder Trafoblechen (2, 3, 5). Dieser hat ein bewegliches Teil (5), welches hier durch um eine Achse (4) gekippt werden kann. Es verbindet jeweils 2 magnetisch verschiedene Pole und haftet daher mit einer konstruktiv festgelegten Kraft an den magnetisierten Teilen des Magnetkreises, die es berührt.
Wird Kraft auf dieses bewegliche Teil ausgeübt (Pfeil in 1), passiert solange nichts, bis die durch den Permanentma gneten hervorgerufene Haltekraft des beweglichen Teils überschritten wird. Dann klappt der bewegliche Teil relativ rasch in die zweite stabile Position, in der er wieder durch die Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten fixiert bleibt. Dieses Umklappen geschieht auch bei langsamer Erhöhung der Betätigungskraft mit einer minimalen Geschwindigkeit, die durch die Dimensionierung des Magnetkreises eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch bei langsamer Betätigung hinreichend Energie zum Betrieb des Funksensors/Funkschalters gewandelt wird.
Der magnetische Fluß durch den von der Spule (6) umwickelten Teil des Magnetkreises (5) ändert beim Umklappen um eine Achse oder einen Kipp-Punkt (4) seine Richtung. Dies ist Konstruktionen vorzuziehen, in denen der magnetische Fluß lediglich unterbrochen oder geschlossen wird, da die Flußänderung hier doppelt so groß ist.
Die rasche magnetische Flußänderung führt zu einer kurzzeitigen Spannungsinduktion in der Spule, um die so erzeugte elektrische Energie kann mit Gleichrichtern, vorzugsweise Halbleiter-Metallkontakt-Dioden gleichgerichtet und nach Zwischenspeicherung in einem Kondensator zum kurzzeitigen Betrieb eines Funkschalters oder Funksensors genutzt werden. Denkbar ist auch, mehrere Spulen zu verwenden, und auf eine Gleichrichtung der Energie, die insbesondere bei kleinen Spannungen hohe Verluste erzeugt, zu verzichten.
Ein optionales Federelement (7) dient dazu, daß aus einem Umschalter mit 2 festen Positionen ein Taster wird. Dazu wird die Federkraft so dimensioniert, daß nach dem Umklappen (2) die Federkraft ausreicht, um das bewegliche Teil wieder gegen die Haltekraft in die Anfangsposition zurückschnellen zu lassen, sobald die Betätigungskraft klein genug wird. Auf diese Weise ist eine konstruktiv einfache Realisierung eines monostabilen Schalters möglich. Hier wird erfindungsgemäß so wohl beim Drücken als auch beim Loslassen des Schalters Energie erzeugt.
Die Polarität der erzeugten Spannung wechselt mit der Art der Betätigung. Erfindungsgemäß kann diese Polarität von der angeschlossenen Elektronik gemessen werden und die darin enthaltene Information über die Richtung des Zustandswechsels mit dem auszusendenden Funksignal übertragen werden.
Die Mechanik, welche auf den beweglichen Teil des Energiewandlers einwirkt, hat zumindest eine Betätigungseinrichtung, wie z.B. eine Tasterfläche. Erfindungsgemäß können auch mehrere Betätigungseinrichtungen auf den einen Energiewandler in der gleichen Weise einwirken, wenn Funkschalter mit mehreren Kanälen realisiert werden sollen. In diesem Fall wird durch eine hinreichende Anzahl von Sensoren, z.B. einen Sensor pro Betätigungseinrichtung, sichergestellt, daß die jeweils aktivierte Betätigungseinrichtung von der angeschlossenen Elektronik ermittelt wird. Die Information wird dann in das zu übertragende Funktelegramm eingebracht.
Ein Elektromagnetischer Energiewandler zum vorzugsweisen Einsatz in Funkschaltern, bestehend aus mindestens einem magnetischen Kreis mit mindestens einem beweglichen Teil, mindestens einer Spule, und mindestens einem Permanentmagneten.
Der magnetisch leitende Kreis ist vorzugsweise aus einem magnetisch weichen Material wie z.B. Weicheisen, Ferrit oder Transformatorblech ausgeführt.
Der magnetische Kreis ist konstruktiv so gestaltet, daß:

– eine Betätigung des beweglichen Teils zu einer Richtungsumkehr des Magnetflusses durch den von der Spule umwickelten Teil des Kreises führt
– die Selbsthaltekräfte des Permanentmagneten auf den beweglichen Teil des magnetischen Kreises die Umwandlung einer von der Betätigungsgeschwindigkeit weitgehend unabhängigen Mindestmenge an Energie sicherstellen, die bereits zum Betrieb der angeschlossenen Verbraucher ausreicht
– das Umschalten zwischen 2 Zuständen möglich ist, wobei jeder Zustandswechsel die zum kurzzeitigen Betreiben der Elektronik notwendige Energie wandelt
– durch ein zusätzliches optionales Federelement einer der beiden Zustände instabil gestaltet werden kann, so daß der bewegliche Magnetkreisteil nach dem Betätigen selbsttätig zurückschnappt, sobald die einwirkende Kraft einen konstruktiv vorgegebenen Wert unterschreitet, wodurch ein Tastschalter realisiert werden kann, welcher beim Drücken wie auch beim Loslassen Energie wandelt.

Der mit dem Energiewandler betreibbare Funksender besitzt mindestens eine Betätigungseinrichtung, welches auf den Energiewandler mechanisch einwirkt. Besitzt er mehrere Betätigungseinrichtungen, wirken diese alle auf den einen Energiewandler und zusätzlich auf eine geeignete Anzahl Sensoren zur Detektion der jeweils aktivierten Betätigungseinrichtung. Die Informationen über die Identität des Betätigungsfeldes kann somit in das auszusendende Funksignal eingebracht werden.
Die Information über die Art der Betätigung (Drücken oder Loslassen bei Tastschaltern bzw. Drücken an verschiedenen Betätigungsflächen bei Kippschaltern) kann über die Polarität der erzeugten Spannung sensiert werden und ebenfalls mit dem Funksignal übertragen werden.

Claims

Elektromagnetischer Energiewandler mit zumindest jeweils einem Permanentmagneten (1) und einem relativ dazu beweglichen Element (5), das von einer elektrischen Spule (6) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei in einer ersten Ruhelage des beweglichen Elements (5), ein magnetischer Fluss durch das bewegliche Element (5) geschlossen ist und wobei eine Bewegung des beweglichen Elements (5) in eine zweite Ruhelage eine Umkehrung des magnetischen Flusses im beweglichen Element bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetischen Nord- und Südpole (2, 3) des Permanentmagneten (1) jeweils an den Enden des beweglichen Elementes (5) gegenüber befinden, wobei Anschläge (8a, 8b, 8c, 8d) für das bewegliche Element (5) gebildet sind.
Elektromagnetischer Wandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (5) aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material aus Eisen, Ferrit, einer Nickel-Eisen-Legierung ist, oder ein so genanntes Elektro- oder Trafoblech ist.
Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das bewegliche Element (5) durch magnetische Selbsthaltekräfte in der ersten oder zweiten Ruhelage gehalten wird.
Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Federelement (7) die erste und oder die zweite Ruhelage instabil gestaltet ist, so dass nach einer Bewegung in die jeweils korrespondierende Ruhelage das bewegliche Element (5) in die vorhergehende Ruhelage zurückkehrt.
Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (7) so gestaltet ist, dass eine Bewegung aus der ersten Ruhelage oder der zweiten Ruhelage heraus, durch die Federkraft unterstützt wird.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle auf das bewegliche Element (5) wirkenden Kräfte, wie die Federkraft oder die magnetische Kraft in einer Mittelstellung des beweglichen Elements (5) gegenseitig aufheben, so dass das bewegliche Element (5) solange in dieser Mittelstellung verbleibt, bis eine zusätzliche Kraft, zum Beispiel durch manuelle Betätigung, auf das bewegliche Element (5) wirkt.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (5) an einer mittig durch das bewegliche Element (5) geführten Achse befestigt und damit drehbar gegenüber dem Permanentmagneten (1) verbunden ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis in der ersten oder der zweiten Ruhelage nicht durch einen Luftspalt unterbrochen ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (1) schichtweise aus zwei gegenläufig magnetisierten Permanentmagneten gebildet ist, wobei die magnetischen Pole der einzelnen Permanentmagnetschichten jeweils einen Anschlag (8a, 8b, 8c, 8d) für das bewegliche Element (5) bilden.
Verwendung eines elektromagnetischen Wandlers nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Wandler einen energieautarken Schalter mit elektrischer Energie versorgt,
Verwendung eines elektromagnetischen Wandlers nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Funkschalter oder Funksignalgeber ist.