DE10359990B4

DE10359990B4 - Auf rotierenden Elementen angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie

Info

Publication number: DE10359990B4
Application number: DE10359990A
Authority: DE
Inventors: Frank Schmidt
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10359990A1; US7667376B2; US20080258581A1; EP1695430A1; WO2005062443A1

Abstract

Auf rotierendem Element (1) angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie, mit
– einem Wandlerelement (2) zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie,
– einer ersten Masse (M1),
– einer zweiten Masse (M2),
– wobei die zweite Masse (M2) mit dem rotierenden Element (1) verbunden ist, wobei das Wandlerelement (2) zwischen der ersten Masse (M1) und der zweiten Masse (M2) so angeordnet ist, dass eine mechanische Relativbewegung der beiden Massen (M1, M2) auf das Wandlerelement (2) wirkt, so dass elektrische Energie erzeugt wird, und wobei die zweite Masse (M2) mit dem rotierenden Element (1) so beweglich verbunden ist, dass eine erste Ebene (E1) senkrecht zu einer Rotationsfliehkraft (FR) gerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet dass,
eine mechanisch bewegliche Verbindung zwischen der ersten Masse (M1) und der zweiten Masse (M2) durch das Wandlerelement so ausgestaltet ist, daß die erste Masse (M1) nur in der...

Description

Die Erfindung betrifft einen auf rotierenden Elementen angeordneten Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie, mit einem Wandlerelement zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, einer ersten Masse und einer zweiten Masse, wobei die zweite Masse mit dem rotierenden Element verbunden ist.

Die Versorgung von elektronischen Schaltungen wie zum Beispiel kleinen Funksendern, kleinen Sensoren verbunden mit Funksendern, sogenannten Funksensoren, Funkschaltern oder ähnlichen, die oftmals zur Überwachung oder Messung eines physikalischen Parameters auf rotierenden Elementen angebracht sind, werden in der Regel batteriebetriebene Energieversorgungen verwendet. Nachteilig an den batteriebetriebenen Energieversorgungen ist die begrenzte Standzeit des Energiespeichers Batterie, der dann durch eine neue Batterie, beziehungsweise einen neuen Energiespeicher zu ersetzen ist. Das erfordert hohen Wartungsaufwand und führt gegebenenfalls zu unbemerkten Ausfällen der elektronischen Schaltung in Verbindung mit dem Sensor und den weiter damit verbundenen Einrichtungen.

Alternativ sind Energiewandler bekannt, wie zum Beispiel elektromagnetische magnetostriktive oder piezoelektrische Wandler die auch in kompakter Bauweise ausführbar sind, und sich mitunter eignen, Bewegungsenergie in elektrische Energie, vor allem in ausreichender Menge, umzusetzen.

Bei rotierenden Elementen tritt, soll auf diesen ein solcher Sensor oder Energieversorgung für die Versorgung solcher Schaltungen montiert werden, ein zusätzliches Problem auf. Das ergibt sich durch starken Rotationsfliehkräfte. Diese Rotationsfliehkräfte führen dazu, daß die elektrodynamischen magnetostriktiven oder piezoelektrischen Wandlerelemente in einer durch die Rotationsfliehkräfte angeregten Auslenkung verharren und damit zur Energieversorgung in dieser Form nicht weiter beitragen können. Kleinste Fertigungstoleranzen oder Montagetoleranzen können diese Problematik noch verstärken.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wandler bekannt, welche an rotierenden Elementen angeordent sind, so zum Beispiel die Druckschrift DE 102 59 056 A1 die ein rotierendes Element offenbart, auf dem ein elektrischer Verbraucher befestigt ist. Dieser elektrische Verbraucher ist über ein Wandlerelement zur Umwandlung mechanischer in elektrische Energie mit einer Schwungmasse verbunden. Wandlerelement und Schwungmasse bilden dabei ein schwingendes System.

Die Druckschrift DE 199 53 489 C1 zeigt einen belasteten rotierenden Reifen, bei dem durch eine Drehbewegung während des Abrollens des Reifens der Stahlmantel des Reifens abgeflacht wird und sich dabei der Abstand zu einem elektromagnetischen Aufnahmewandler verändert. Dies bewirkt eine Induktion von elektrischem Strom in einer Spule des elektromagnetischen Aufnahmewandlers.

In der Druckschrift DE 199 29 341 A1 ist ein Wandlerelement gezeigt, das durch eine Feder-Masse-Konstruktion mit mechanischen Schwingungen beaufschlagt wird, wobei über eine Pleuelstange ein rotierendes Element mit der Masse verbunden ist. Rotiert das rotierende Element, überträgt die Rotation unmittelbar auf das Federmassesystem die aus der Rotation hervorgehende Energie, wodurch der Energiewandler angeregt wird diese mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln.

Die Druckschrift DE 100 25 561 A1 zeigt einen energieautarken Hochfrequenzsender, mit mindestens einem elektromagnetischen Wandler mit nachgeschalteter Gleichrichterschaltung und Spannungswandlerschaltung, bei dem zudem eine mit der Spannungswandlerschaltung verbundene Logikbaugruppe mit einer Ablaufsteuerung und einem Speicher verbunden ist. Dabei ist in dem Speicher ein Identifikationscode gespeichert. Eine Hochfrequenzsendestufe ist mit der Logikbaugruppe und mit der Sendeantenne verbunden.

Die Druckschrift DE 101 25 059 A1 zeigt einen Spannungsgenerator zur Umwandlung von nicht-elektrischer Primärenergie in ein Spannungssignal mittels Induktion, wobei ein mechanischer Energiespeicher zur Aufnahme der Primärenergie mit mindestens einem Umschlagpunkt, vorgeschlagen ist und mindestens ein Induktionssystem, das mit dem mechanischen Energiespeicher koppelbar ist, und wobei der mechanische Energiespeicher bei Erreichen des mindestens einen Umschlagpunktes eine Bewegung ausführt mittels der im Induktionssystem ein Spannungssignal induzierbar ist.

Die Druckschrift WO 99/49 556 A1 zeigt einen elektromechanischen Energiewandler, der mechanische in elektrische Energie wandelt, wobei ein feststehender magnetischer Kreis und ein beweglicher magnetischer Kreis zueinander angeordnet sind. Der bewegliche magnetische Kreis ist mit Federelementen verbunden, so dass der bewegliche magnetische Kreis in Schwingungen versetzbar ist. Schwingt der bewegliche magnetische Kreis, so schwingt er über den feststehenden magnetischen Kreis, wodurch im feststehenden magnetischen Kreis sich die magnetische Flussdichte ändert, und dadurch in einer Spule, die einen Teil des feststehenden magnetischen Kreises umfasst elektrischer Strom induziert wird.

Die Druckschrift WO 98/36 395 A2 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale mit einem Wandler, der aus der Umgebung verfügbare nicht-elektrische Primärenergie in elektrische Energie umsetzt. Weiter zeigt die Druckschrift WO 98/36 395 A2 ein an den Wandler angekoppeltes Element mit nicht-linearer Kennlinie und einer an das Element mit nicht-linearer Kennlinie angekoppelte Kodierungseinrichtung.

Die Druckschrift DE 196 27 998 A1 zeigt eine Energiequelle für einen Strahlungssender als Elektromagnetsystem mit einer Spule und einem aus permanentmagnetischen Material bestehenden Anker. Spule und Anker sind einander so zugeordnet, dass sie sich bei Bewegung der Einrichtung gegeneinander oder ineinander bewegen und so in der Spule eine Spannung induziert wird, die einen Sender mit Strom versorgt.

Die Druckschrift US 4,510,484 A , offenbart einen Energiewandler, bei dem durch die Schwingung der Masse eine Bahn beschrieben wird, welche eine Fläche, beziehungsweise eine Ebene aufspannt. Diese ist in jeder Lage des um eine Achse rotierenden Elementes parallel zur Fliehkraft. Dies wirkt sich nachteilig auf die Schwingung des schwingenden Systems aus, da an der Schwungmasse des schwingenden Systems die Fliehkraft wirkt und diese bei dieser Anordnung die Auslenkung der Schwingungen negativ, das heißt dämpfend beeinflusst. Somit ist das schwingende System durch die Fliehkraft in seiner Auslenkung gedämpft. Dies beruht darauf, dass im Kraftfeld der Fliehkraft durch die Schwungmasse entgegen der Fliehkraft eine Hubarbeit verrichtet werden muss. Dies führt zu einer nachteiligen Beeinflussung des Wirkungsgrades des Wandlers in Abhängigkeit von der Drehzahl des rotierenden Elementes

Die Druckschrift GB 2 064 883 A zeigt eine Vorrichtung zur Versorgung mit elektrischer Energie von an einem Element befestigten elektrischen Verbraucher, wobei an dem elektrischen Verbraucher ein Wandlerelement das eine Elastizität aufweist, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie befestigt ist und wobei das Wandlerelement und eine mit dem Wandlerelement verbundene Schwungmasse ein schwingendes System bildet und wobei das Element entlang einer Rotationsachse rotierbar ausgebildet ist. Der Massenmittelpunkt der Schwungmasse weist eine Bewegungsfreiheit auf einer gekrümmten Bahn auf. Die Druckschrift GB 2 064 883 A zeigt, dass die durch die gekrümmte Bahn der schwingenden Masse aufgespannte Fläche parallel zur Richtung der durch eine Rotation des Elements verursachten Fliehkraft steht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Energiewandler vorzusehen, der in der Lage sit, auf rotierenden Elementen montierte elektronische Schaltungen, auch beim Vorhandensein von Rotationsfliehkräften, mit Energie zu versorgen.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 vorgeschlagenen Maßnahmen. Diese sind, durch die in den Unteransprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen, vorteilhaft weitergebildet.

Ein solcher Energiewandler nutzt zur Erzeugung der Energie nicht die Rotationsenergie an sich, sondern ihr überlagerte Bewegungen, oder Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit.

Ein auf ein rotierendem Element angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie, mit einem Wandlerelement und einer ersten Masse und einer zweiten Masse ist so ausgestaltet, daß eine relative Bewegung, zwischen den beiden Massen auf das Wandlerelement wirkt. Eine der beiden Massen, zum Beispiel die zweite Masse ist mit dem rotierenden Element verbunden, so daß eine von der Rotation abweichende, oder eine die Rotation ändernde Kraft auf die Masse 1 wirkt. Daraus ergibt sich eine, durch diese Kräfte verursachte, Bewegung der beiden Massen zueinander. Dies geschieht, da die erste Masse gegenüber dem rotierendem Element frei, beziehungsweise mit dem rotierenden Element nicht direkt verbunden ist. Die von der Rotation unabhängigen, oder anderen Kräfte, wirken also auf die erste Masse und regen diese zu einer Bewegung an. Da die zweite Masse mit dem rotierendem Element verbunden ist, entsteht eine Relativbewegung der beiden Massen zueinander, die auf das Wandlerelement wirkt und in elektrische Energie wandelbar ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse die Bewegungsfreiheit so eingeschränkt, daß die erste Masse gegenüber der zweiten Masse nur in einer Ebene bewegbar ist. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Unabhängigkeit von der in Richtung der Rotationsfliehkraft auf die Masse 1 wirkende Kraft. Das Wandlerelement ist damit unabhängig von diesen Kräften. Alleine Kräfte, die ihren Ursprung in einer der Rotation überlagerten Bewegung oder einer Änderung der Rotation finden, wirken dann auf die erste Masse und regen diese zur Bewegung an.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verbindung der zweiten Masse mit den rotierenden Element so ausgelegt, daß die Rotationsfliehkraft die zweite Masse exakt so ausrichtet, daß die Ebene, in der die erste Masse bewegbar ist senkrecht zu der Rotationsfliehkraft ist. Eine eventuelle Montagetoleranz oder Fertigungstoleranz des Energiewandlers wird somit vorteilhaft eliminiert. Die Verbindung zwischen dem rotierendem Element und der zweiten Masse ist so ausgeführt, daß diese, zum Beispiel durch ein Federelement oder eine Achse, drehbar gelagert ist. Das bewirkt, daß sich die zweite Masse unter Einfluß der Rotationsfliehkraft exakt ausrichtet, ähnlich einem Fliehkraftpendel. Die Ebene, in der sich die erste Masse bewegt ist somit ebenfalls exakt ausgerichtet und senkrecht zur Rotationsfliehkraft.

Beobachtet man die erste Masse während eines gedachten Zeitraums t, so beschreibt die erste Masse eine Kreisbahn, die ihr Zentrum in der Rotationsachse des rotierenden Elementes hat. Exakt auf dieser Kreisbahn liegt tangential die Ebene, in der sich die erste Masse bewegt. Durch die rotationsfliehkraftbedingte Ausrichtung der zweiten Masse und der mechanischen Verbindung der ersten Masse mit der zweiten Masse, die so gestaltet ist, daß diese sich nur in einer Ebene bewegen kann, die senkrecht zu der Rotationsfliehkraft ist, wird erreicht, daß die erste Masse keine Hubarbeit im Kraftfeld der Rotationsfliehkraft verrichten muß. Damit ist selbst bei geringen oder größeren Fertigungs- und Montagetoleranzen sichergestellt, daß die erste Masse durch die Rotationsfliehkraft nicht in einer Auslenkung festgehalten wird, in der weitere Kräfte oder Bewegungen auf die erste Masse zur Erzeugung von elektrischer Energie relativ wirkungslos sein würden.

Die Art und Weise des Wandlerelements ist von diesem bisher beschriebenen Prinzip unabhängig und könnte ein piezoelektrisches, ein magnetisch striktives oder ein elektromagnetisches Wandlerelement sein, wobei auch andere Wandlerelemente grundsätzlich sich dafür eignen, wenn sie in der Lage sind mechanische Energie in elektrische Energie umzusetzen. Insbesondere, da das Wandlerelement durch die oben genannten Maßnahmen von den extremen Rotationsfliehkräften geschützt ist.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines rotierenden Elementes mit einem Energiewandler
2 eine perspektivische schematische Darstellung eines rotierenden Elementes mit Energiewandler
3 eine detaillierter Darstellung eines Ausführungsbeispieles des Energiewandlers auf einem rotierenden Element
4 eine andere Ausführungsform des Energiewandlers auf einem rotierenden Element
5 eine weitere Ausführungsform des Energiewandlers auf einem rotierenden Element.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines rotierendes Elementes 1 das sich um eine Achse dreht. Auf diesem rotierenden Element 1 ist eine zweite Masse M2 angeordnet, die mit einem Wandlerelement 2 verbunden ist. Eine erste Masse M1 die ebenfalls mit dem Wandlerelement 2 verbunden ist, ist gegenüber dem rotierenden Element 1 frei beweglich. Jede Bewegung des rotierenden Elementes 1, beziehungsweise jede Änderung der Rotation beziehungsweise jede von der Rotation unabhängige Bewegung wirkt auf die Masse M1 und führt zu einer Relativbewegung der ersten und der zweiten Masse M1, M2 zueinander. Diese Relativbewegung bewirkt eine Kraft auf das Wandlerelement 2 und führt an diesem zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Trennung von Ladungen.
2 zeigt eine schematische Darstellung in perspektivischer Weise, wobei das rotierende Element 1 nur ausschnittsweise dargestellt ist. Das rotierende Element 1 bewirkt durch seine Rotation eine Rotationsfliehkraft FR die senkrecht zu der Rotationsachse des rotierenden Elements 1 ist. Die auf dem rotierenden Element 1 angeordnete und befestigte zweite Masse M2 ist auf dieser durch ein Lager 3 so befestigt, daß die Masse M2 um dieses Lager 3 bewegbar ist. Bei Rotieren des rotierenden Elementes bewirkt die Rotationsfliehkraft FR ein exaktes Ausrichten der zweiten Masse M2, so daß der Schwerpunkt der zweiten Masse M2 sich auf einen energetischen Minimum unter dem Einfluß der bei der Rotation auftretenden Fliehkraft befindet. Weiterhin ist die erste Masse M1 mit der zweiten Masse M2 über das Wandlerelement 2 so verbunden, daß die erste Masse M1 ausschließlich in einer Ebene E1 beweglich ist. Durch die Ausrichtung der zweiten Masse M2 und die Verbindung der ersten Masse M1 mit der zweiten Masse M2, in der oben genannten Weise, richtet sich die Ebene E1 senkrecht zu der Rotationsfliehkraft FR aus. Dies bewirkt, daß die Masse M1 sich in einer Ebene bewegt, die tangential zu einer Kreisbahn um die Rotationsachse liegt. Dies führt bei geringen Bewegungen dazu, daß keine Hubarbeit der Masse M1 im Kraftfeld der Rotationsfliehkraft geleistet werden muß.
3 zeigt in einer teilschematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers, der auf einem rotierendem Element 1 über ein Lager oder ein biegbares Blech, zum Beispiel eine Feder, 3 auf dem rotierenden Element 1 befestigt ist. Die Masse M2 ist dabei größer ausgeführt, als die Masse M1, was bewirkt, daß die durch die Fliehkraft angeregte und bewirkte Auslenkung der Masse M2 nicht durch die Masse M1 beeinflusst wird. Das Wandlerelement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Piezoelement, das mit der Masse M1 verbunden ist. Die Masse M1 schwingt in diesem Ausführungsbeispiel in den in Pfeilrichtung angedeuteten Richtungen. Die Bewegungsfreiheit der ersten Masse M1 ist dabei eingeschränkt auf die Ebene E1. Die Ebene E1 ist gebildet durch die Aufhängung der Masse M2 über die Feder 3 und ist senkrecht zu der Rotationsfliehkraft FR.
4 zeigt ein dem Ausführungsbeispiel in 3 ähnlichem Energiewandler, wobei die Aufhängung und Befestigung auf dem rotierenden Element 1 der in der 3 beschriebenen und dargestellten Aufhängung gleicht. Die Unterschiede in der 4 beziehen sich im wesentlichen auf die Form des Wandlerelementes 2, das als induktives beziehungsweise elektromagnetisches Wandlerelement dargestellt ist. Die erste Masse M1 schwingt in diesem Ausführungsbeispiel in einer Spule, wobei auch hier die Bewegungsfreiheit der ersten Masse M1 auf die Ebene E1 begrenzt ist.
5 zeigt in einer teilschematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers, der auf einem rotierendem Element 1 über ein Lager oder ein biegbares Blech, zum Beispiel eine Feder, 3 auf dem rotierenden Element 1 befestigt ist. Die Masse M2 ist dabei größer ausgeführt, als die Masse M1, was bewirkt, daß die durch die Fliehkraft angeregte und bewirkte Auslenkung der Masse M2 nicht durch die Masse M1 beeinflusst wird. Das Wandlerelement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Piezoelement, das mit der Masse M1 verbunden ist. Die Masse M1 schwingt in diesem Ausführungsbeispiel in den mit Pfeilen angedeuteten Richtungen. Als Erweiterung gegenüber der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Masse M1 mit einem elastischem Element 4 mit der Masse M2 verbunden. Dieses elastische Element 4 ist so gestaltet, das die Masse M1 nur in einer Ebene beweglich ist. Weiterhin ist das Wandlerelement 2 an einem Ende mit der Masse M1 fest verbunden, und am gegenüberliegenden Ende über ein Lagerelement 5 gehalten. Erfolgt eine Bewegung der Masse M1 in der Ebene E1, so erfolgt eine Verformung des Wandlerelements 2. Das Lagerelement ist mit der Masse M2 fest verbunden und so ausgebildet, dass das Wandlerelement 2 in Richtung der Rotationsfliehkraft FR nicht gehalten wird. Obwohl die Bewegung in Richtung der Rotationsfliehkraft FR aufgrund der Eigenschaften des elastischen Elements 4 gering sind, oder nicht vorhanden sind, ist damit ist eine dadurch bedingte Verformung zusätzlich ausgeschlossen. Die Bewegungsfreiheit der ersten Masse M1 ist durch das elastische Element 4 eingeschränkt auf die Ebene E1. Die Ebene E1 ist gebildet durch die Aufhängung der Masse M2 über die Feder 3 und ist senkrecht zu der Rotationsfliehkraft FR.

Claims

Auf rotierendem Element (1) angeordneter Energiewandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie, mit – einem Wandlerelement (2) zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie, – einer ersten Masse (M1), – einer zweiten Masse (M2), – wobei die zweite Masse (M2) mit dem rotierenden Element (1) verbunden ist, wobei das Wandlerelement (2) zwischen der ersten Masse (M1) und der zweiten Masse (M2) so angeordnet ist, dass eine mechanische Relativbewegung der beiden Massen (M1, M2) auf das Wandlerelement (2) wirkt, so dass elektrische Energie erzeugt wird, und wobei die zweite Masse (M2) mit dem rotierenden Element (1) so beweglich verbunden ist, dass eine erste Ebene (E1) senkrecht zu einer Rotationsfliehkraft (FR) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet dass, eine mechanisch bewegliche Verbindung zwischen der ersten Masse (M1) und der zweiten Masse (M2) durch das Wandlerelement so ausgestaltet ist, daß die erste Masse (M1) nur in der Ebene (E1) bewegbar ist.
Energiewandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (2) ein piezoelektrisches-, oder ein magnetostriktives-, oder ein elektromagnetisches Wandlerelement ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Wandlerelements (2) zu der ersten Masse (M1) flexibel, federnd oder fest ausgestaltet ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dass die erste Masse (M1) flexibel, federn oder fest mit dem Wandlerelement (2) verbunden ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Masse (M2) durch ein mechanisches Lager (3) und/oder eine Feder (3) und eine Drehachse (3) mit dem rotierenden Element (1) verbunden ist.