DE202005018668U1

DE202005018668U1 - Vibration transducer for generating electricity, has pendulum moving in circular motion around rotation center based on vibration with reference to base, and magnet and coil are arranged to convert circular motion into electrical signal

Info

Publication number: DE202005018668U1
Application number: DE200520018668
Authority: DE
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2015-11-30

Abstract

The transducer has a pendulum suspended at a base. The pendulum moves in a circular motion (15) around a center of rotation, in response to a vibration with reference to the base. A magnet (16) and a coil (17) are arranged to convert the circular motion into an electrical signal. An electrical output is provided for coupling a load. The pendulum is fastened to an axle (10) which is rotatably supported over a support at the base.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energiewandler und insbesondere auf Vibrationswandler.The The present invention relates to energy converters, and more particularly on vibration transducer.

Global stellt die Bereitstellung von Energien ein grundsätzliches Problem dar. Nicht nur die Verfügbarkeit, sondern auch die mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe einhergehende Klimaerwärmung sind Gründe für die Menschen, sich um nachhaltige Energieversorgung Gedanken zu machen. Alternative Energiesysteme wie die Solarenergie, aber auch die Wind- und Wasserenergie können deswegen zukünftig eine zentrale Rolle in der großflächigen Energieversorgung spielen.Global makes the provision of energy a fundamental Problem is not just availability, but also the burning of fossil fuels Global warming are reasons for the People to think about sustainable energy supply. Alternative energy systems such as solar energy, but also wind energy and water energy can that's why in the future a central role in the large-scale energy supply play.

Andererseits nehmen Anwendungen der Mikroelektronik immer mehr zu. Ferner ist auch eine starke Zunahme an drahtlosen, also typischerweise batteriebetriebenen Elektronikgeräten zu betrachten. Diese Elektronikgeräte werden mit erschöpflichen Energiespeichern, wie Batterien und Akkumulatoren, versorgt. Nachteile dieser Energieversorgungen sind jedoch die begrenzte Lebensdauer. Das System muss nach einer bestimmten Zeit gewartet und die Energiespeicher entsorgt werden. Da jedoch seit einigen Jahren große Erfolge zur Reduktion des Energieverbrauchs in der Mikroelektronik erreicht werden, öffnen sich neue Wege zur Energieversorgung.on the other hand Microelectronics applications are becoming more and more popular. Further is also a large increase in wireless, so typically battery-powered electronic equipment consider. These electronic devices are powered by exhaustible energy storage, like batteries and accumulators. Disadvantages of these power supplies however, are the limited lifespan. The system must be after a waited for certain time and the energy storage to be disposed of. However, since some years great successes for the reduction of the Energy consumption in microelectronics are reached open new ways to supply energy.

In jeder Einsatzumgebung wirkt auf das zu versorgende System Energie aus der Umwelt ein, sei es in Form von thermischen Gradienten, akustischem Lärm, Solarstrahlung oder kinetischer Energie durch Bewegung und Vibration. Um ein System zu versorgen, können diese Energien prinzipiell in elektrische Energien umgewandelt werden. Diese Technik ist unter dem Begriff „Energy Harvesting" oder „Energy Scavenging" bekannt. Dies bedeutet soviel wie das Ernten oder das Plündern von Energie. Noch all gemeiner spricht man auch von „Power MEMS" und bezeichnet damit Mikrosysteme, die darauf ausgelegt sind, Leistung zu generieren. Die Vorteile des Energy Harvesting sind ohne weiteres ersichtlich, da die theoretische Lebensdauer des Energieversorgers unbegrenzt ist. Eine Wartung des Systems und die Entsorgung von Batterien ist hierbei nicht erforderlich. Dadurch sind solche Mikrogeneratoren auch besonders gut für schwer zugängliche Anwendungen geeignet, wie beispielsweise in der Medizintechnik, aber auch in anderen Bereichen, in denen relativ wenig Energie benötigt wird. Diese Bereiche umfassen viele Anwendungen von Mikrosensoren und Mikroaktoren.In Every application environment affects the energy system to be supplied from the environment, be it in the form of thermal gradients, acoustic Noise, solar radiation or kinetic energy through motion and vibration. To a system to supply these energies are principally converted into electrical energy. This technique is known as "Energy Harvesting" or "Energy Scavenging "known. This means as much as harvesting or plundering energy. Still all meaner One speaks of "Power MEMS "and designated Microsystems designed to generate power. The benefits of energy harvesting are readily apparent because the theoretical life of the utility is unlimited is. A maintenance of the system and the disposal of batteries is not required here. As a result, such microgenerators also very good for hard to reach Applications suitable, such as in medical technology, but also in other areas where relatively little energy is needed. These areas include many applications of microsensors and Micro actuators.

Bei elektromagnetischen Vibrationsgeneratoren sorgt eine Relativbewegung einer Spule gegenüber einem Magneten für die Leistungsgenerierung. Eines der beiden genannten Elemente ist somit fest mit dem Generatorgehäuse verbunden, während das andere Ende eine Bewegung durchführt. Ist die Spule beweglich gelagert, so muss für eine flexible Verdrahtung gesorgt werden. Weiter muss die träge Masse der Spule durch eine zusätzliche Komponente vergrößert werden, um möglichst kleine Resonanzfrequenzen zu erzielen. Wählt man den Magneten als träge bewegliche Masse, so erübrigen sich diese konstruktiven Gegebenheiten. In aktuellen Entwicklungen kommen beide Varianten zum Einsatz. Ein Bespiel, bei dem sich der Magnet bewegt, wurde von der Universität Sheffield, Bristol, entwickelt und ist in der Fachveröffentlichung Williams, Shearwood, Harradine, Mellor, Birch, Yates: „Development of an electromagnetic microgenerator" IEE Proceedings: Circuits, Devices & Systems, Band 148, 6. Dezember 2001, Seite 337 bis 42, beschrieben. Ein Selten-Erdmagnet ist hier auf einer Polyimid-Membran aufgebracht. Die Spule besteht aus Gold und enthält 13 Windungen, welche jeweils eine Querschnittsfläche von 50 μm² aufweisen, und in einem Abstand von 5 μm angeordnet sind. Bei einer Anregung mit der Resonanzfrequenz (3,8 kHz) können hiermit bis zu 0,3 μW generiert werden. Die Spitzenspannung liegt dann im Bereich von 30 mV.In electromagnetic vibration generators, a relative movement of a coil relative to a magnet provides for power generation. One of the two said elements is thus firmly connected to the generator housing, while the other end performs a movement. If the coil is movably mounted, flexible wiring must be provided. Furthermore, the inert mass of the coil must be increased by an additional component in order to achieve the lowest possible resonance frequencies. If one chooses the magnet as an inertly movable mass, then these structural conditions are unnecessary. In current developments, both variants are used. An example in which the magnet moves was developed by the University of Sheffield, Bristol, and is described in the specialist publication Williams, Shearwood, Harradine, Mellor, Birch, Yates: "Development of an electromagnetic microgenerator" IEE Proceedings: Circuits, Devices & Systems, Vol. 148, December 6, 2001, pages 337 to 42. A rare earth magnet is applied here on a polyimide membrane The coil is made of gold and contains 13 turns, each having a cross-sectional area of 50 μm ² . With excitation at the resonant frequency (3.8 kHz), this can generate up to 0.3 μW, with a peak voltage in the range of 30 mV.

Ein Generator, bei dem sich hingegen die Spule bewegt, wurde an der Universität Warwick vorgestellt und ist in Mizuno, Chetwynd: „Investigation of a resonance microgenerator", Journal of Micromechanics & Microengineering, Bd. 13 Nr. 2 Seiten 209–16, beschrieben. Die mathematische Modellierung wurde hier an einem Funktionsmuster verifiziert. Für Abmessungen der Balken im Bereich von 500 μm × 100 μm × 20 μm und einer Spule mit 12 Windungen kann demnach eine Leistung von 6 nW bei einer Anregung mit 58 kHz und 100 nm Amplitude realisiert werden.One Generator, in which, however, the coil moves, was at the university Warwick and is in Mizuno, Chetwynd: "Investigation of aoma microgenerator ", Journal of Micromechanics & Microengineering, Vol. 13 No. 2 pages 209-16, described. The mathematical modeling was done here on one Functional pattern verified. For Dimensions of the beams in the range of 500 microns × 100 microns × 20 microns and a coil with 12 turns can Accordingly, a power of 6 nW with a stimulation at 58 kHz and 100 nm amplitude can be realized.

Die Resonanzfrequenzen sind bei allen genannten Beispielen groß. In einer realen Umgebung werden sich nur schwer Anwendungen finden lassen. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems wurde an der Universität in Michigan entwickelt und in Kulah und Najafi: „An electromagnetic micro power generator for lowfrequency environmental vibrations", In MEMS 2004, Maastricht, Niederlande, Januar 2004, beschrieben. Bei diesem Generator bildet ein Magnet mit einer Membran ein System, dessen Resonanzfrequenz im Bereich von 1 bis 100 Hz liegt. Schwingt der Magnet, werden an einem bestimmten Punkt ferromagnetische Spitzen von kleinen Balkenschwingern angezogen und dann wieder losgelassen. Diese schwingen dann mit ihrer Resonanzfrequenz zwischen 1 und 10 kHz. Die Autoren führen dort aus, dass damit nicht nur kleinere Einsatzfrequenzen realisiert werden können, sondern auch eine vergleichsweise effizientere Konversion erzielt wird. Die generierten Leistungen liegen hierbei im Bereich von 4 nW. Für eine mikromechanische Version werden für jeden einzelnen Balken Leistungen von 2,5 μW prognostiziert.The resonance frequencies are high in all the examples mentioned. It will be difficult to find applications in a real world environment. An approach to solving this problem has been developed at the University of Michigan and in Kulah and Najafi: "An electromagnetic micro power generator for low frequency environmental vibrations", described in MEMS 2004, Maastricht, The Netherlands, January 2004. This generator forms a magnet With a diaphragm, a system whose resonance frequency is in the range of 1 to 100 Hz If the magnet vibrates, ferromagnetic tips are attracted and then released by small beam vibrators at a certain point, which then oscillate with their resonance frequency between 1 and 10 kHz Authors point out that not only smaller frequencies of use can be realized, but also a comparatively more efficient conversion is achieved.The generated power is in the range of 4 nW each beam predicts performances of 2.5 μW.

Solche bekannten Generatoren erzeugen nur im Bereich ihrer spezifischen Eigenkreisfrequenz, also ihrer Resonanzfrequenz nennenswert Energie. Entspricht die Eigenkreisfrequenz eines Systems nicht der Kreisfrequenz der Vibration, so nimmt die generierbare Leistung drastisch ab. In anderen Worten ausgedrückt, wird das Phänomen der Resonanzüberhöhung verwendet, um eine nennenswerte Energie zu erzeugen, da die erzeugte elektrische Energie mit der Schwingungsamplitude des Schwingers des Resonanzsystems zusammenhängt. Um diese Problematik zu umgehen, wurde eine planare Feder entworfen, welche mehrere Eigenfrequenzen umfasst. Lediglich beispielhaft sei auf Ching, Gordon, Li, Wong, Leong, „PCB integrated Micro-Generator for wireless Systems ist. The Chinese University of Hong Kong, China, verwiesen. Wenn die Eigenfrequenzen der planaren Feder dicht beieinander liegen, weist das Gesamtsystem einen breitbandigeren Charakter auf. Mit einem Gesamtvolumen des Generators von etwa 1 cm³ konnten hiermit Leistungen im Bereich von 830 μW an einem 1 kOhm Widerstand bei Anregung mit 60 bis 110 Hz und 200 μm-Amplitude erzielt werden.Such known generators produce only in the range of their specific natural angular frequency, ie their resonant frequency appreciably energy. If the natural angular frequency of a system does not correspond to the angular frequency of the vibration, then the generatable power decreases drastically. In other words, the phenomenon of resonance peaking is used to generate appreciable energy because the generated electrical energy is related to the vibration amplitude of the vibrator of the resonance system. To circumvent this problem, a planar spring was designed, which includes several natural frequencies. By way of example, Ching, Gordon, Li, Wong, Leong, "PCB is integrated micro-generator for wireless systems. The Chinese University of Hong Kong, China, referenced. If the natural frequencies of the planar spring are close together, the overall system has a broader band character. With a total volume of the generator of about 1 cm ³ achievements in the range of 830 μW could be achieved with a 1 kOhm resistance at excitation with 60 to 110 Hz and 200 micron amplitude.

Alternative Wandlungsprinzipien liegen im piezoelektrischen Prinzip, bei dem zur Generierung elektrischer Leistung aus Vibration der direkte piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Die mechanische Deformation eines Kristalls resultiert in einer elektromechanischen Wechselwirkung. Wieder alternativ kann noch eine elektrostatische Konversion mittels eines Kondensators durchgeführt werden. Bei Anlegen einer konstanten Spannung wird nämlich eine anziehende Kraft auf Kondensatorplatten ausgeübt, die vom Plattenabstand abhängt. Möchte man den Plattenabstand vergrößern, so muss diese Kraft überwunden werden und es wird Arbeit verrichtet. Sind die Platten weiter über einem Ohmschen Widerstand leitend verbunden, so fließt ein Strom, der seinerseits elektrische Arbeit verrichten kann. Elektrostatische Vibrationsgeneratoren können aus Kammstrukturen aufgebaut werden. Die Herstellung solcher Strukturen basiert auf Beschleunigungssensoren sowie Gyroskopen und sind in der Mikrosystemtechnik Standard. Ein charakteristischer Nachteil der mikrostatischen Konversion besteht jedoch darin, dass man von Grund auf eine Spannungsquelle benötigt, obgleich solche Spannungsquellen bereits technologisch bereitgestellt werden können.alternative Conversion principles lie in the piezoelectric principle, in which for generating electrical power from vibration the direct piezoelectric effect is exploited. The mechanical deformation of a crystal results in an electromechanical interaction. Again alternatively, an electrostatic conversion by means of a Condenser performed become. When applying a constant voltage is namely an attractive Force exerted on capacitor plates, the distance from the plate depends. Would like to to increase the plate distance, so must overcome this force and work is done. Are the plates farther over one Ohmic resistor conductively connected, so flows a current, in turn can do electrical work. Electrostatic vibration generators can be built from comb structures. The production of such structures based on accelerometers and gyroscopes and are in the microsystem technology standard. A characteristic disadvantage However, the micro-static conversion is that of Reason for a voltage source needed, although such sources of voltage already technologically available.

Sämtliche Feder-Masse-Systeme, die in ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden, haben dann eine gute Energieausbeute, wenn die Anregungsvibration, also die äußere Vibration, deren Ener gie „geerntet" werden soll, mit einer Frequenz stattfindet, die der Resonanzfrequenz sehr nahe kommt. Dann befindet sich das mechanische Schwingsystem in seiner Resonanzüberhöhung und eine periodische Anregung von außen führt zu einer hohen Resonanzschwingungsamplitude, die in einen elektrischen Strom umgesetzt wird. Der Schwinger, auf den die Vibrationsenergie übertragen wird, und dessen Energie schließlich in elektrische Energie gewandelt wird, führt eine Hin- und Her-Bewegung durch, wie sie typischerweise von einer Masse vollführt wird, die an einer Feder aufgehängt ist und periodisch angeregt wird.All Spring-mass systems operated at their resonant frequency then have a good energy yield if the excitation vibration, so the external vibration, whose energy is to be "harvested" with a frequency very close to the resonance frequency. Then is the mechanical vibration system in its resonance cant and a periodic excitation from the outside leads to a high resonance oscillation amplitude, which is converted into an electric current. The vibrator, up which transmit the vibration energy and its energy finally is converted into electrical energy, performs a reciprocating motion through, as is typically done by a mass, which hung on a spring is and is periodically stimulated.

Nachteilig ist jedoch, dass diese Systeme nur sehr schmalbandig Vibrationsenergie wandeln. Werden sie mit einer Vibrationsschwingung angeregt, deren Frequenz außerhalb des nutzbaren Resonanzüberhöhungsbereichs liegt, führt das Resonanzsystem nahezu keine Schwingung durch und liefert daher nahezu keine Ausbeute an Energie. Dies bedeutet, dass die von außen anliegende Vibration, wenn ein einigermaßen universell anwendbares System erhalten werden soll, gemessen werden muss, und dass ferner das Feder-Masse-System hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz einstellbar sein muss, damit die Resonanzfrequenz immer an die von außen anliegende Vibrationsfrequenz angeglichen werden kann, damit in einem größeren Frequenzbereich Energie „geerntet" werden kann.adversely However, these systems only have very narrow band vibration energy convert. Are they stimulated with a vibration vibration whose Frequency outside the usable resonance peaking range lies, leads the resonance system undergoes almost no vibration and therefore provides almost no energy yield. This means that the externally applied Vibration, if a reasonably universally applicable system is to be measured must, and that further the spring-mass system in terms of his Resonant frequency must be adjustable so that the resonant frequency always on the outside adjacent vibration frequency can be adjusted so that in a larger frequency range of energy can be "harvested".

Ein weiterer Nachteil dieser Systeme besteht darin, dass sie bei relativ hohen Vibrationsfrequenzen bzw. Resonanzfrequenzen liegen. Andererseits hat sich herausgestellt, dass die große Anzahl von nutzbaren mechanischen Vibrationen, welche im Vergleich zu anderen Energieformen, denen ein System ausgesetzt ist, noch eine vergleichsweise hohe Leistungsdichte haben, bei niedrigen Frequenzen im Bereich von 20 bis 200 Hz liegen. Um insbesondere für mikromechanische Anwendungen Systeme zu bauen, die derart niedrige Resonanzfrequenzen haben, ist ein hoher Aufwand nötig, bzw. stellt sich überhaupt die Frage nach der Machbarkeit an sich.One Another disadvantage of these systems is that they are at relative high vibration frequencies or resonance frequencies are. On the other hand turned out that the large number of usable mechanical Vibrations, which compared to other forms of energy, which a system is exposed, still a comparatively high power density have to be in the range of 20 to 200 Hz at low frequencies. In particular for micromechanical Applications build systems that have such low resonant frequencies have a lot of effort, or at all the Question about the feasibility itself.

Jedoch auch für Resonanzsysteme, die bei höheren Frequenzen arbeiten, ist die Anwendbarkeit eingeschränkt, oder muss für praktisch einsetzbare Systeme eine Regelung vorgesehen werden, die wiederum Energie erfordert, was ohnehin anhand der relativ überschaubaren Ausgangsleistungen im Mikrowatt-Bereich das ganze Konzept in Frage stellt.however also for Resonance systems at higher Frequencies work, the applicability is restricted, or must for Practically applicable systems are provided a scheme, in turn Energy requires, what anyway on the basis of the relatively manageable Output power in the microwatt range the whole concept in question provides.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein flexibles und effizientes Vibrationswandlerkonzept zu schaffen.The Object of the present invention is to provide a flexible and to create an efficient vibration converter concept.

Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationswandler gemäß Patentanspruch 1 gelöst.These Task is solved by a vibration converter according to claim 1.

Der vorliegende Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Problematik der Schmalbandigkeit und der hohen Frequenzen von Feder-Masse-Systemen nur dadurch überwunden werden können, wenn von den Feder-Masse-Systemen ganz weggegangen wird. Erfindungsgemäß wird statt dessen ein Pendel eingesetzt, das so an einer Basis aufgehängt ist, dass sich das Pendel ansprechend auf eine an der Basis anliegende Vibration bezüglich der Basis in einer Kreisbewegung um einen Drehpunkt bewegt. Die Pendelbewegung ist eine Kreisbewegung und keine Hin- und Herbewegung, wie sie bei Wieder-Masse-Systemen mit Resonanzfrequenz auftritt.The present invention is based on the finding that the problem of Schmalban and high frequencies of spring-mass systems can only be overcome by completely leaving the spring-mass systems. According to the invention, instead, a pendulum is used which is suspended on a base such that the pendulum moves in a circular motion about a pivot point in response to a vibration applied to the base with respect to the base. The pendulum motion is a circular motion and not a reciprocation, as occurs in re-mass systems with resonant frequency.

Die erfindungsgemäße Wandlung der linearen oder nahezu linearen Vibrationsenergie in eine Rotationsenergie mittels des Pendels, das eine Kreisbewegung ausführt, basiert auf keinem Resonanzprinzip und ist somit nicht mit den Schmalbandigkeits-Problemen bzw. den Problemen reduzierter Güte, wenn das System breitbandiger werden soll, behaftet. Statt dessen hat das erfindungsgemäße Konzept per se eine Breitbandigkeit, was zu einer hohen Energieausbeute führt, da nicht nur die Energie des Grundmodus, sondern auch die Energie der Oberwellen effizient in eine Kreisbewegung umgesetzt und letztendlich durch die E nergiewandleranordnung in elektrische Energie umgewandelt wird.The conversion according to the invention the linear or nearly linear vibration energy into a rotational energy By means of the pendulum, which performs a circular motion, is based on no resonance principle and is thus not with the narrowbandness problems or the problems of reduced quality, if the system should be broadband, afflicted. Instead, has the inventive concept per se a broadband, resulting in a high energy yield leads, not only the energy of the basic mode, but also the energy the harmonics are efficiently converted into a circular motion and ultimately converted by the E nergiewandleranordnung into electrical energy becomes.

Die Charakteristika des Vibrationswandlers sind sehr flexibel einstellbar und eine wesentliche Kerngröße ist das Verhältnis zwischen der Vibrationsamplitude und der Pendellänge. Ist die Vibrationsamplitude klein und die Pendellänge groß, ist das Verhältnis also sehr klein, so ist das System nicht selbsterregt. Statt dessen soll das Pendel gestartet werden, indem es in eine Kreisbewegung versetzt wird. Entspricht diese Kreisbewegung im Hinblick auf die Winkelfrequenz der Vibrationsfrequenz, so wird die Kreisbewegung aufgrund der Speisung durch Vibrationsenergie erhalten bleiben und, solange Vibration anwesend ist, auch aktiv sein. Selbst wenn sich die Frequenz der Vibration ändert, reißt die Pendel-Kreisbewegung nicht ab. Statt dessen geht das Pendel mit der äußeren Frequenz in großen Bereichen mit, so dass keinerlei Regelungen etc. benötigt werden.The Characteristics of the vibration transducer are very flexible adjustable and an essential core is that relationship between the vibration amplitude and the pendulum length. Is the vibration amplitude small and the pendulum length large, is the relationship so very small, so the system is not self-excited. Instead The pendulum should be started by turning it into a circular motion is offset. Corresponds to this circular motion with regard to Angular frequency of the vibration frequency, so will the circular motion retained due to the supply of vibrational energy and, as long as vibration is present, also be active. Even if the Frequency of vibration changes, rips the pendulum-circular motion does not stop. Instead, the pendulum goes with the outer frequency in big Areas with, so that no regulations, etc. are needed.

Für kleine Systeme, bei denen die Pendellänge in die Größenordnung der Vibrationsamplitude kommt, kann sogar auf den „Anlasser" oder „Starter" verzichtet werden. Hier liegt ein chaotisches System vor, das dazu führt, dass in Anwesenheit einer äußeren Vibration das Pendel selbst in eine Kreisbewegung verfällt, die jedoch eine chaotische Kreisbewegung ist, welche eine Zeitlang existiert, dann angehalten wird, sich umdreht, oder sich ändert. Hier sind aufgrund des chaotischen Wesens des Vibrationswandlers keine deterministischen Vorhersagen zu treffen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass die mittlere Drehrate, die von dem Pendel ausgeübt wird, immer noch ausreichend ist, um mit hohem Wirkungsgrad elektrische Energie zu erzeugen. Aufgrund des chaotischen Wesens und der damit verbundenen Änderung der Pendeldrehung oder Pendeldrehrichtung wird jedoch im Mittel eine kleinere Winkelfrequenz als beim deterministischen Vibrationswandler erreicht, der gestartet werden muss, da die Pendellänge erheblich größer als die Vibrationsamplitude ist.For small Systems where the pendulum length in the order of magnitude the vibration amplitude comes, can even be dispensed with the "starter" or "starter". Here is a chaotic system that leads to in the presence of an external vibration The pendulum itself falls into a circular motion, but a chaotic Circular motion exists for a while, then stops becomes, turns around or changes. Here are due to the chaotic nature of the vibration transducer to make no deterministic predictions. However, it has become proved that the average rate of rotation exerted by the pendulum is always is still sufficient to high energy electrical energy to create. Due to the chaotic nature and the associated change However, the pendulum rotation or pendulum rotation is on average a smaller angular frequency than the deterministic vibration transducer reached, which must be started because the pendulum length considerably greater than the vibration amplitude is.

Ferner hat sich herausgestellt, dass die Energieausbeute mit zunehmender Pendellänge zunimmt. So kann daher für jede beliebige Anwendung ein gewissermaßen maßgeschneiderter Vibrationswandler bereitgestellt werden, der lediglich im Hinblick auf die effektive Pendellänge und eine zu erwartende Vibrationsamplitude eingestellt werden muss.Further has been found that the energy yield with increasing pendulum length increases. So can therefore for any application a somewhat tailored vibrational transducer provided solely with regard to the effective pendulum length and an expected vibration amplitude must be set.

Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auch bei niedrigen Frequenzen Energie gewandelt werden kann. Generell gilt, dass die erzeugte Leistung proportional zum Quadrat der Drehrate ist. So führt eine Erhöhung der Schwingfrequenz zu einer entsprechenden Zunahme der Ausgangsleistung, wobei für höhere Vibrationsfrequenzen auch höhere Ausgangsleistungen erhalten werden.The significant advantages of the present invention is that even at low frequencies energy can be converted. Generally, the power generated is proportional to the square the rate of rotation is. So leads an increase the oscillation frequency to a corresponding increase in the output power, being for higher Vibration frequencies also higher Output services are obtained.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass auch höhere Moden des Vibrationssignals in Energie gewandelt werden. Dies liegt daran, dass die Selektivität des Vibrationswandlers für die Anregungsschwingung gering ist, also der erfindungsgemäße Vibrationswandler eine hohe Bandbreite besitzt.One Another advantage of the present invention is that also higher Modes of the vibration signal are converted into energy. This is because of the selectivity of the vibration transducer for the excitation oscillation is low, that is to say the vibration converter according to the invention has a high bandwidth.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Vibrationswandler aufgrund der Pendel-Kreisbewegung, die eine Bewegung in einer Ebene ist, ein System ist, das jegliche Vibrationsrichtungen in der Pendelbewegungsebene zu Energie umwandeln kann. Dies bedeutet, dass die Komponente der Vibration, die in der Ebene auftritt, in der sich das Pendel bewegt, auch in elektrische Energie gewandelt wird, was einen erheblichen Vorteil im Verglich zu Systemen darstellt, bei denen nur eine Vibration in einer Richtung, statt einer Ebene zu elektrischer Energie umgewandelt wird.One Another advantage of the present invention is that the vibratory transducer due to the pendulum circular motion, the one Movement is in a plane, a system is that any vibration directions can transform into energy in the pendulum motion plane. This means, that the component of the vibration that occurs in the plane, in which moves the pendulum, also converted into electrical energy which is a significant advantage compared to systems, where only one vibration in one direction, instead of one plane is converted to electrical energy.

Alle diese Vorteile werden dadurch erhalten, dass eine typischerweise mehr oder minder lineare Vibrationsenergie in eine Kreisbewegung eines Pendels umgewandelt wird, wobei diese Kreisbewegung des Pendels dann mit einer Energiewandleranordnung, die induktiv, kapazitiv, elektrostatische oder sogar mechanisch sein kann, in einen elektrischen Strom umgewandelt wird, der schließlich an einem elektrischen Ausgang an eine Last ausgebbar ist.All These benefits are obtained by having a typical more or less linear vibration energy in a circular motion a pendulum is transformed, this circular motion of the pendulum then with an energy converter arrangement that is inductive, capacitive, electrostatic or even mechanical, in an electric current is finally transformed at an electrical output to a load can be output.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present The present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1a eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswandlers; 1a a schematic drawing of a preferred embodiment of the vibration transducer according to the invention;

1b eine Fotographie einer Realisierung des Vibrationswandlers von 1a; 1b a photograph of a realization of the vibration transducer of 1a ;

2 eine schematische Darstellung eines mathematischen Pendels mit beschleunigtem Aufhängepunkt und den dadurch entstehenden Kräften sowie zugeordneten Kraftgleichungen/Differenzialgleichungen; 2 a schematic representation of a mathematical pendulum with accelerated suspension point and the resulting forces and associated force equations / differential equations;

3 ein Prinzipdiagramm des erfindungsgemäßen Vibrationswandlers; 3 a schematic diagram of the vibration transducer according to the invention;

4a verschiedene Diagramme zur Darstellung einer gedämpften Pendelbewegung für einen feinmechanischen Vibrationswandler mit einer Anfangswinkelgeschwindigkeit gleich Null; 4a various diagrams illustrating a damped pendulum motion for a precision mechanical vibration transducer with an initial angular velocity equal to zero;

4b eine Darstellung der Verhältnisse im Vibrationswandler mit einer Anfangswinkelfrequenz, die ähnlich der Vibrationsfrequenz ist; 4b a representation of the conditions in the vibration transducer with an initial angular frequency, which is similar to the vibration frequency;

5 eine Darstellung von relevanten Diagrammen für einen MEMS-Vibrationswandler als Beispiel für ein chaotisches System; 5 a representation of relevant diagrams for a MEMS vibration transducer as an example of a chaotic system;

6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ausgangsleistung als Funktion der Vibrationsfrequenz für eine Vibrationsamplitude von 200 μm; 6 a diagram illustrating the output power as a function of the vibration frequency for a vibration amplitude of 200 microns;

7 eine Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Vibrationswandlers mit einer harmonischen Anregung und einer zusätzlichen Anregung mit der zweiten harmonischen Anregung; 7 an illustration of the vibration transducer according to the invention with a harmonic excitation and an additional excitation with the second harmonic excitation;

8 eine Darstellung der effektiven Leistung als Funktion des Lastwiderstands; und 8th a representation of the effective power as a function of the load resistance; and

9 eine Darstellung der effektiven Spannung als Funktion der Frequenz bei einem Lastwiderstand von 50 Ohm. 9 a representation of the effective voltage as a function of frequency at a load resistance of 50 ohms.

Nachfolgend wird zunächst auf die Prinzipskizze in 3 eingegangen. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vibrationswandlers 30, der ausgebildet ist, um eine in das System eingespeiste Vibration 31 in einen ausgangsseitigen elektrischen Strom 32 umzuwandeln. Die Vibration kann eine lineare Vibration oder allgemein betrachtet eine elliptische Vibration sein. Der Vibrationswandler 30 umfasst eine Anordnung 33 mit einer Basis und einem Pendel. Insbesondere ist das Pendel der Anordnung 33 so an der Basis aufgehängt, dass sich das Pendel ansprechend auf eine an der Basis anliegende Vibration bezüglich der Basis in einer Kreisbewegung um einen Drehpunkt bewegt. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem eine lineare Hin- und Herbewegung erzeugt wird, indem ein Masse-Feder-System mit seiner Resonanzfrequenz von außen angeregt wird, wird erfindungsgemäß keine Resonanzeigenschaft ausgenutzt. Anders ausgedrückt, basiert das erfindungsgemäße System nicht auf einer Federauslenkung, sondern auf einer Kreisbewegung des Pendels um den Drehpunkt herum. Diese Kreisbewegung wird mittels einer Energiewandleranordnung 34 in den elektrischen Strom 32 umgeformt. Dieser elektrische Strom wird an einem Elektrischen Ausgang 35 ausgegeben, wobei der elekt rische Ausgang 35 ferner so ausgebildet ist, dass eine Last 36 mit dem elektrischen Ausgang 35 koppelbar ist. Die Last wird je nach Implementierung einen Gleichrichter/Regler und einen nachgeschalteten Verbraucher umfassen. Kann der Verbraucher den vom elektrischen Ausgang 32 ausgegebenen Strom direkt verwenden, so wird die Last 36 lediglich einen Verbraucher, nicht aber einen Gleichrichter oder Regler oder allgemein einen Stromumformer umfassen.The following section first refers to the schematic diagram in 3 received. 3 shows a schematic representation of a vibration transducer according to the invention 30 , which is designed to be a vibration fed into the system 31 in an output side electric current 32 convert. The vibration may be a linear vibration or, generally speaking, an elliptical vibration. The vibration converter 30 includes an arrangement 33 with a base and a pendulum. In particular, the pendulum is the arrangement 33 suspended from the base such that the pendulum moves in a circular motion about a fulcrum in response to a vibration applied to the base relative to the base. In contrast to the prior art, in which a linear reciprocating motion is generated by a mass-spring system is excited with its resonant frequency from the outside, according to the invention no resonance property is utilized. In other words, the system according to the invention is based not on a spring deflection, but on a circular movement of the pendulum around the fulcrum. This circular movement is by means of an energy converter arrangement 34 in the electric current 32 reshaped. This electrical current is connected to an electrical outlet 35 output, with the elec- tical output 35 is further designed so that a load 36 with the electrical outlet 35 can be coupled. Depending on the implementation, the load will include a rectifier / regulator and a downstream load. Can the consumer of the electrical output 32 directly use output electricity, so will the load 36 include only a consumer, but not a rectifier or regulator or in general a current transformer.

Wenn von einer linearen Vibration ausgegangen wird, schafft das erfindungsgemäße System somit eine Umwandlung der lineare Vibration in eine Kreisbewegung über das Pendel, wobei die Energie, die in der Kreisbewegung des Pendels steckt, durch irgendeinen Energiewandler in einen elektrischen Strom umgeformt wird.If is assumed by a linear vibration, thus creating the system according to the invention a transformation of the linear vibration into a circular motion over the Pendulum, the energy being in the circular motion of the pendulum plug into any electrical energy through any energy converter is transformed.

Bereits jetzt sei darauf hingewiesen, dass als Energiewandler 34 beliebige Energiewandler eingesetzt werden können, die dafür vorgesehen sind, um eine Kreisbewegung eines Pendels in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Obgleich nachfolgend hauptsächlich ein induktiver Energiewandler beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass beliebige andere Energiewandleranordnungen ebenfalls ausgeführt werden können. Solche Energiewandler sind beispielsweise elektrostatische Energiewandler, die darauf basieren, dass durch Bewegung von Kondensatorelektroden eines Kondensators, an denen eine Spannung angelegt ist, Arbeit verrichtet wird. Für die induktive Energiewandlung kann das nachfolgend beschriebene Konzept, in dem sich Magnete bezüglich fester Spulen bewegen, verwendet werden. Alternativ kann jedoch auch ein normales Generatorkonzept wie bei einem typischen Dynamo verwendet werden, wobei hier die Magnete nicht direkt auf dem Pendel befestigt sind, sondern ein normaler Generator eingesetzt wird, der eine drehende Welle hat. Die Welle, die mit dem Pendel verbunden ist, überträgt somit die Drehbewegung des Pendels in den Generator hinein, so dass derselbe elektrischen Strom ausgibt. Alternative Wandler umfassen sogar mechanische Prinzipien, bei denen z.B. durch Zahnradanordnungen die Drehbewegung des Pendels noch nach Bedarf übersetzt werden kann, um dann schließlich wiederum aus dieser Drehbewegung des Pendels entweder direkt oder nach Übersetzung auf eine andere Drehgeschwindigkeit Strom zu erzeugen.Already it should be noted that as an energy converter 34 Any energy converter can be used, which are intended to convert a circular motion of a pendulum in an electric current. Although a predominantly inductive energy converter will be described below, it should be understood that any other energy converter arrangement may also be practiced. Such energy converters are, for example, electrostatic energy converters based on work being done by movement of capacitor electrodes of a capacitor to which a voltage is applied. For the inductive energy conversion, the concept described below, in which magnets move relative to fixed coils, can be used. Alternatively, however, a normal generator concept can be used as in a typical dynamo, in which case the magnets are not mounted directly on the pendulum, but a normal generator is used, which has a rotating shaft. The shaft, which is connected to the pendulum, thus transmits the rotary motion of the pendulum in the generator, so that it outputs the same electric current. Alternative transducers even include mechanical principles in which, for example, by tooth Radanordnungen the rotational movement of the pendulum can still be translated as needed, and then in turn turn from this rotational movement of the pendulum either directly or after translation to another rotational speed to generate electricity.

Alternativ kann auch ein rotatorisches elektrostatisches Wandlerprinzip für den Pendelgenerator eingesetzt werden, das kreisförmige Platten mit Elektroden z. B. in „Kuchenstückform" aufweist.alternative can also be a rotary electrostatic transducer principle for the pendulum generator be used, the circular Plates with electrodes z. B. in "Kuchenstückform" has.

Nachfolgend wird anhand von 1 eine schematische beispielhafte Implementierung des erfindungsgemäßen Vibrationswandlers dargestellt. In 1a sind eine durchsichtig gezeichnete Basis 33a sowie ein ebenfalls durchsichtig gezeichnetes Pendel 33b dargestellt. Das Pendel hat etwa eine Tropfenform, es kann jedoch jede beliebige Form haben, solange eine „Unwucht" existiert, d.h. so lange die Masse des Pendels nicht gleichmäßig um den Drehpunkt herum verteilt ist, so dass der Schwerpunkt des Pendels mit dem Drehpunkt zusammenfällt. Für eine Unwucht wird ein Abstand des Schwerpunkts des Pendels von dem Drehpunkt von wenigstens 5 % eines Radius der Drehbewegung des Pendels, also des Unwuchtbauglieds, bevorzugt.The following is based on 1 a schematic exemplary implementation of the vibration transducer according to the invention shown. In 1a are a transparent drawn base 33a and a likewise transparent drawn pendulum 33b shown. The pendulum is approximately a drop-shaped, but it can have any shape, as long as an "imbalance" exists, ie as long as the mass of the pendulum is not evenly distributed around the fulcrum, so that the center of gravity of the pendulum coincides with the fulcrum an imbalance is a distance of the center of gravity of the pendulum from the fulcrum of at least 5% of a radius of rotation of the pendulum, so the imbalance member, preferred.

Der Drehpunkt ist in 1a als Drehachse 10 dargestellt, wobei mit der Drehachse 10 das Pendel 33b verbunden ist. Die Drehachse, die mit dem Pendel verbunden ist, ist bezüglich der Basis bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Kugellager 11 verbunden, um eine möglichst reibungsarme Lagerung zu erhalten. Sämtliche anderen, insbesondere auch aus der Fernwerktechnik bekannten Lagerungsmöglichkeiten, wie beispielsweise pneumatische Lager, Rubinlager, Wälzlager, etc. können alle eingesetzt werden, solange eine möglichst reibungsfreie Lagerung erreicht wird, da die Pendelenergie natürlich nicht in Reibungswärme umgesetzt werden soll, sondern in einen elektrischen Strom.The fulcrum is in 1a as a rotation axis 10 shown, with the axis of rotation 10 the pendulum 33b connected is. The axis of rotation, which is connected to the pendulum, is with respect to the base in the 1a shown embodiment with a ball bearing 11 connected in order to obtain the lowest possible friction storage. All other storage options, in particular also known from the field of telescopic technology, such as pneumatic bearings, ruby bearings, bearings, etc., can all be used as long as the friction-free as possible storage is achieved, since the pendulum energy, of course, should not be converted into frictional heat, but in an electric Electricity.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass, wie es bereits ausgeführt worden ist, ein Pendel jeglicher Form eingesetzt werden kann, solange der Schwerpunkt des Pendels mit dem Drehpunkt, der in 1a z.B. durch die Drehachse definiert ist, auseinander fällt. Als Pendellänge bezeichnet man in diesem Zusammenhang den Abstand zwischen dem Pendelschwerpunkt und dem Drehpunkt. Bei einem mathematischen Pendel wird davon ausgegangen, dass die Pendelmasse im Schwerpunkt des Pendels konzentriert ist, während beim physikalischen Pendel davon ausgegangen wird, dass die Masse des Pendels verteilt ist.It should be noted at this point that, as has already been stated, a pendulum of any shape can be used as long as the center of gravity of the pendulum with the pivot point in 1a Eg defined by the axis of rotation falls apart. In this context, the pendulum length refers to the distance between the center of gravity of the pendulum and the point of rotation. A mathematical pendulum assumes that the pendulum mass is concentrated in the center of gravity of the pendulum, whereas the physical pendulum assumes that the mass of the pendulum is distributed.

In 1a ist ferner ein Bezugskoordinatensystem 12 eingezeichnet sowie die beispielhafte Vibrationsrichtung als eine lineare Vibration 13, die parallel zu y-Achse des Bezugskoordinatensystems 12 auftritt. Die Kreisbewegung des Pendels ist ferner durch den Kreispfeil 15 angedeutet.In 1a is also a reference coordinate system 12 drawn as well as the exemplary vibration direction as a linear vibration 13 parallel to the y-axis of the reference coordinate system 12 occurs. The circular movement of the pendulum is further by the circular arrow 15 indicated.

Im Ruhezustand ist das Pendel 33b aufgrund der Gravitation „nach unten" hängend.At rest, the pendulum is 33b due to gravity "hanging down".

Wird dann eine Vibration angelegt, die zumindest eine Komponente in der x-y-Ebene hat, so hängt die Reaktion des Vibrationswandlers, der in 1a gezeigt ist, von dem Verhältnis der Vibrationsamplitude zu der Pendellänge, also einem Maß für den Abstand zwischen dem Drehpunkt 10 und dem Pendelschwerpunkt ab. Ist die Vibrationsamplitude in der Nähe der Pendellänge, so beginnt das Pendel 33b damit, sich um die Achse 10 zu drehen. Die in dieser Drehung steckende Energie kann dann, wie es nachfolgend noch erörtert wird, durch die induktive Energiewandleranordnung, die in 1a gezeigt ist, in einen elektrischen Strom umgewandelt werden.If then a vibration is applied, which has at least one component in the xy plane, the reaction of the vibration transducer, which depends in 1a is shown, the ratio of the vibration amplitude to the pendulum length, so a measure of the distance between the pivot point 10 and the center of gravity. If the vibration amplitude is close to the pendulum length, the pendulum starts 33b with it, around the axis 10 to turn. The energy contained in this rotation can then, as will be discussed below, by the inductive energy converter arrangement, which in 1a is shown to be converted into an electric current.

Ist die Pendellänge jedoch größer als die Vibrationsamplitude, so wird das Pendel 33b durch die Vibration 13 lediglich etwas um seinen Ruhepunkt herum schwingen. Das Pendel wird jedoch nicht in eine Kreisbewegung versetzt werden. Damit in diesem Fall, bei einer großen Pendellänge, der Vibrationswandler E nergie liefern kann, muss das Pendel gestartet werden, indem an das Pendel eine Start-Winkelgeschwindigkeit angelegt wird, die in etwa der Vibrationsfrequenz entspricht. Sobald sich das Pendel 33b somit auf einer initiierten Kreisbewegung befindet, wird durch die äußere Vibration dem Pendel ständig neue Energie zugeführt, so dass die Kreisbewegung solange anhält, solange eine Vibration vorhanden ist. Besonders beachtlich an diesem Zustand ist, dass sich die Vibrationsfrequenz ohne weiteres ändern kann. Das Pendel, das auf einer Kreisbewegung läuft, wird mit äußeren Vibrationsfrequenzänderungen „mitgehen" und sich damit je nach Vibrationsfrequenz schneller oder langsamer um den Drehpunkt 10 drehen.However, if the pendulum length is greater than the vibration amplitude, then the pendulum 33b through the vibration 13 just swing something around his resting point. However, the pendulum will not be put in a circular motion. In this case, for a large pendulum length, the vibratory transducer can supply energy, the pendulum must be started by applying to the pendulum a starting angular velocity which approximately corresponds to the vibration frequency. As soon as the pendulum 33b thus being on an initiated circular motion, the pendulum is constantly supplied with new energy by the external vibration, so that the circular motion continues as long as a vibration is present. Particularly noteworthy about this condition is that the vibration frequency can easily change. The pendulum, which is running on a circular motion, will "go along" with external vibration frequency changes and thus faster or slower around the pivot point, depending on the vibration frequency 10 rotate.

Erfindungsgemäß wird also eine mechanische Vibration ohne Federn oder etwas ähnliches in einen elektrischen Strom umgesetzt, wobei ferner keine klassischen Resonanzkonzepte zum Tragen kommen, so dass auch die diesen Resonanzkonzepten inhärenten Problematiken erfindungsgemäß umgangen werden. Die Erzeugung der elektrischen Energie ist erfindungsgemäß nicht auf ein schmales Frequenzband begrenzt. Besonders beachtenswert ist auch die „Selbstartfähigkeit" eines mikromechanischen Bauelements, bei dem die Pendellänge in die Größenordnung der Vibrationsamplitude kommt, da dann das sich dort ergebende chaotische Verhalten sinnvoll ausgenutzt werden kann.Thus, according to the invention a mechanical vibration without springs or something similar converted into an electric current, and further no classical Resonance concepts come to fruition, so that also these resonance concepts inherent Problems bypassed according to the invention become. The generation of electrical energy is not according to the invention limited to a narrow frequency band. Particularly noteworthy is also the "Selbstartfähigkeit" of a micromechanical Component in which the pendulum length in the order of magnitude the vibration amplitude comes, because then the resulting chaotic Behavior can be meaningfully exploited.

Prinzipiell besteht die Idee also darin, eine lineare Vibration in eine Drehbewegung durch z.B. den Vibrationswandler, wie in 1a gezeigt ist, umzuformen. Abhängig von der Geometrie und den Anfangsbedingungen der mechanischen Erregung des Generatorgehäuses ergibt sich eine Rotation des Pendels.In principle, the idea is to create a linear vibration in a rotary motion through, for example, the vibration transducer, as in 1a is shown to reshape. Depending on the geometry and the initial conditions of the mechanical excitation of the generator housing results in a rotation of the pendulum.

Auf dem Pendel sind Magnete 16 befestigt, die eine Änderung des magnetischen Flusses durch die festen Spulen 17 bewirken und damit nach dem Gesetz von Farraday eine Ausgangsspannung erzeugen, so dass dann, wenn an den elektrischen Ausgang 35 eine Last angekoppelt ist, der Strom 32 von 3 fließen wird. Ein Strom erzeugt wiederum ein magnetisches Feld, das die Bewegung des Pendels dämpft. Die durch die elektromagnetische Dämpfung dissipierte Energie entspricht der erzeugten elektrischen Leistung. Es hat sich herausgestellt, dass die erzeugte elektrische Leistung proportional zur Drehrate ist.On the pendulum are magnets 16 attached, which is a change of the magnetic flux through the fixed coils 17 cause and thus produce an output voltage according to the law of Farraday, so that when connected to the electrical output 35 a load is coupled to the electricity 32 from 3 will flow. A current in turn generates a magnetic field that dampens the movement of the pendulum. The energy dissipated by the electromagnetic damping corresponds to the generated electric power. It has been found that the generated electrical power is proportional to the rotation rate.

In 1b ist eine Fotographie eines Prototypen gezeigt, der prinzipiell die Elemente aufweist, wie sie auch in 1a mit den entsprechenden Bezugszeichen gezeigt sind. Ferner ist in 1b auch der elektrische Ausgang 35 gezeigt, der zwei Pole hat, an die eine Last anklemmbar ist. Die Spulen sind über bestimmte Kontaktstellen je nach Implementierung alle parallel zum elektrischen Ausgang 35 oder aber seriell oder gemischt seriell/parallel geschaltet. Die genaue Verschaltung der verschiedenen Spulen wird von der Implementierung und auch von der Last abhängen, also welche Eigenschaften der Vibrationswandler haben soll, also ob er eher einen idealen Spannungsgenerator oder einem idealen Stromgenerator entsprechen soll.In 1b is a photograph of a prototype shown, which in principle has the elements, as in 1a are shown with the corresponding reference numerals. Furthermore, in 1b also the electrical output 35 shown, which has two poles, to which a load is clamped. Depending on the implementation, the coils are all parallel to the electrical output via specific contact points 35 or serially or mixed serially / in parallel. The exact interconnection of the different coils will depend on the implementation and also on the load, so what characteristics of the vibration transducer should have, so whether it should rather correspond to an ideal voltage generator or an ideal power generator.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass 1b lediglich eine Seite des Vibrationswandlers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt. Die Welle 10 erstreckt sich durch die Basis 33a hindurch, und auf der „Hinterseite" des Vibrationswandlers von 1b befindet sich ebenfalls eine Anordnung von Stator-Spulen 17. Ferner ist auch an der Hinterseite ein im Prinzip zum Pendel 33b identisches Pendel angeordnet, das in 1a bei 33c schematisch angedeutet ist. Auch dieses „hintere Pendel" 33c trägt Magnete, die dann, wenn sich das Pendel bewegt, den magnetischen Fluss durch die Spulen auf der Hinterseite ändern, so dass auch dort Spannung induziert wird, die einen elektrischen Strom durch eine Last treiben kann.It should also be noted that 1b shows only one side of the vibration transducer according to a preferred embodiment. The wave 10 extends through the base 33a through, and on the "back" of the vibration transducer of 1b There is also an array of stator coils 17 , Furthermore, at the rear is in principle a pendulum 33b identical pendulum arranged in 1a at 33c is indicated schematically. Also this "rear pendulum" 33c carries magnets which, when the pendulum moves, change the magnetic flux through the coils on the back so that voltage is also induced there, which can drive an electric current through a load.

Der induktive Prototyp, der in 1b gezeigt ist, hat etwa ein Gesamtvolumen von 1,3 cm³ und erzeugt bei der gegebenen Pendellänge von 4 mm und der Anregungsamplitude von 200 μm eine Ausgangsleistung, wie sie in 6 gezeigt ist. So ist zu sehen, dass bereits bei sehr kleinen Vibrationsfrequenzen immerhin 2 mW erzeugt werden, während diese Leistung bei den Prototypen von 1b bei 140 Hz Vibrationsfrequenz, was ebenfalls noch eine relativ kleine und noch natürlich auftretende Vibrationsfrequenz ist, sogar auf 11 mW gesteigert werden kann. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass eine Vibration von lediglich 200 μm Anregungsamplitude der Messung von 6 zugrunde liegt. Erhöht man die Vibrationsamplitude, so wird ebenfalls die aus dem Pendel erzielbare Ausgangsleistung zunehmen, da die Ausgangsleistung prinzipiell sowohl von der Vibrationsfrequenz als auch von der Vibrationsamplitude abhängt.The inductive prototype in 1b is shown has about a total volume of 1.3 cm ³ and generates at the given pendulum length of 4 mm and the excitation amplitude of 200 microns an output power, as in 6 is shown. So it can be seen that even at very low vibration frequencies at least 2 mW are generated, while this performance in the prototypes of 1b At 140 Hz vibration frequency, which is also still a relatively small and still naturally occurring vibration frequency, can be increased even to 11 mW. It should be noted that a vibration of only 200 microns excitation amplitude of the measurement of 6 underlying. If the vibration amplitude is increased, the output power which can be achieved from the pendulum will likewise increase, since the output power depends in principle on both the vibration frequency and the vibration amplitude.

Nachfolgend wird anhand von 2 die Bewegungsgleichung diskutiert, um schließlich eine nicht-lineare Differenzialgleichung für das gesamte System zu erhalten, die in 2 bei (5) gezeigt ist. Allgemein ist die Bewegungsgleichung eines mathematischen Pendels in 2 bei (0) gezeigt. Eine Abbildung des mathematischen Pendels findet sich ebenfalls oben in 2. Die Bewegungsgleichung (0) ist nicht-linear in φ, was bedeutet, dass die Periodendauer, mit der das Pendel schwingt, von der Auslenkung abhängt. Auf das Generatorpendel wirken in der Realität weitere Kräfte. Zum Einen findet eine annähernd geschwindigkeitsproportionale Dämpfung statt. Diese wird durch einen Dämpfungsfaktor γ ausgedrückt und ist auf die Energie zurückzuführen, die im elektrischen Dämpfer dissipiert wird und teilweise als elektrische Leistung zur Verfügung steht. Andere Reibungsverluste werden ebenfalls in diesen Dämpfungsfaktor hinein gerechnet. Unterliegt der Aufhängepunkt des Pendels zudem einer beschleunigten Bewegung, hier im Speziellen einer Vibration, kommen weitere Kräfte zum Tragen. In der Figur in 2 stellt l_p die Pendellänge dar, also den Abstand zwischen der Pendelmasse m und dem Aufhängepunkt 10. Der Parameter g ist die normale Erdbeschleunigung.The following is based on 2 the equations of motion are discussed to finally obtain a non-linear differential equation for the whole system, which in 2 at (5) is shown. In general, the equation of motion of a mathematical pendulum is in 2 shown at (0). An illustration of the mathematical pendulum is also found above in 2 , The equation of motion (0) is non-linear in φ, which means that the period of time with which the pendulum swings depends on the deflection. On the generator pendulum act in reality more forces. On the one hand there is an approximately speed-proportional damping. This is expressed by a damping factor γ and is due to the energy dissipated in the electric damper and partly available as electrical power. Other friction losses are also included in this damping factor. If the pendulum point of the pendulum is also subject to an accelerated movement, in this case especially a vibration, additional forces come into play. In the figure in 2 l _{p represents} the pendulum length, ie the distance between the pendulum mass m and the suspension point 10 , The parameter g is the normal gravitational acceleration.

Die resultierende Scheinkraft F_A entsteht durch Oberlagerung der Gewichtskraft F_g und der durch die Beschleunigung verursachten Kraft. Legt man das in 2 gezeigte Koordinatensystem zugrunde, so erhält man die Gleichung (1) für die Kraft F_A.The resulting apparent force F _A is produced by superimposition of the weight F _g and the force caused by the acceleration. Put that in 2 Based on the coordinate system shown, we obtain the equation (1) for the force F _A.

Darin stellen x₀ und y₀ die Koordinaten des Aufhängepunktes dar, wo hingegen e_x und e_y den Einheitsvektoren in x und y-Richtung entsprechen. Zur rückstellenden Kraft F_R gelangt man durch Projektion von F_A auf den Einheitsvektor n, der stets tangential zu dem Kreis mit dem Radius 1 gerichtet ist. Hierbei wird die Gleichung (2) benutzt. Für die Rückstellkraft F_R ergibt sich somit die in Gleichung (3) gezeigte Situation. Erweitert man nun die Gleichung (0) um den Term der Dämpfungskraft und der Kraft durch die beschleunigte Bewegung, so ergibt sich die Bewegungsgleichung eines gedämpften Pendels, dessen Aufhängepunkt eine beliebige Beschleunigung erfährt, wie es in Gleichung (4) in 2 gezeigt ist.Therein, x ₀ and y _{0 represent} the coordinates of the suspension point, whereas e _x and e _y correspond to the unit vectors in the x and y directions. The restoring force F _{R is} obtained by projecting F _A onto the unit vector n, which is always tangential to the circle of radius 1 is directed. Here, the equation (2) is used. For the restoring force F _R thus results in the situation shown in equation (3). If one now extends the equation (0) by the term of the damping force and the force by the accelerated motion, the equation of motion of a damped pendulum, the suspension point experiences any acceleration, as in equation (4) in 2 is shown.

Nachfolgend wird nun davon ausgegangen, dass die Vibration, die das Pendel erfährt, nun in einer Richtung vorliegt. Es findet also eine harmonische oszillierte Bewegung entweder in horizontaler oder in vertikaler Richtung statt. Die entsprechenden Ausdrücke, die dann in die Differenzialgleichung eingesetzt werden müssen, sind in der Tabelle in 2 gezeigt. Hierin ist A_V die Amplitude der Vibration. f entspricht der Frequenz der Vibration. Für den vertikalen Fall, der in 1a bei 13 gezeigt ist, ergibt sich letztendlich die Gleichung (5) von 2. Diese Gleichung stellt eine nicht-lineare Differenzialgleichung dar. So wird eine kontinuierliche Rotation gesucht. Daher existiert kein Arbeitspunkt und es macht auch keinen Sinn, diese Differenzialgleichung (5) zu linearisieren.It will now be assumed that the vibration experienced by the pendulum is now in one direction. So there is a harmonic oscillated motion in either the horizontal or vertical direction. The corresponding expressions that must then be used in the differential equation are in the table in 2 shown. Here, A _{V is} the amplitude of the vibration. f equals the frequency of the vibration. For the vertical fall in 1a at 13 is shown, the equation (5) of 2 , This equation represents a non-linear differential equation. Thus, a continuous rotation is sought. Therefore, there is no working point and it makes no sense to linearize this differential equation (5).

Wird die Differenzialgleichung zweiter Ordnung, wie sie in 2 bei (5) gezeigt ist, numerisch gelöst, so benötigt man als Voraussetzung hierfür zwei Anfangsbedingungen. Diese Anfangsbedingungen entsprechen der Anfangsauslenkung und der Anfangswinkelgeschwindigkeit des Pendels. Rein mathematisch gesehen stellt eine Anfangsauslenkung von Null Grad einen stabilen Zustand dar, der für ein reales System jedoch keine Relevanz hat und deshalb als Anfangsbedingung nur Sinn macht, wenn man die Anfangswinkelgeschwindigkeit ungleich Null wählt.Will the differential equation of the second order, as in 2 at (5), solved numerically, one needs as a prerequisite two initial conditions. These initial conditions correspond to the initial displacement and the initial angular velocity of the pendulum. From a purely mathematical point of view, an initial deflection of zero degrees represents a stable state, which, however, has no relevance for a real system and therefore only makes sense as an initial condition if one chooses the initial angular velocity other than zero.

Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass das Verhältnis Vibrationsamplitude zur Pendellänge eine entscheidende Rolle spielt. Ist dieses Verhältnis klein, kann dem Pendel nicht genügend Energie zugeführt werden, um es in eine rotatorische Bewegung zu versetzen. Dieser Fall wird typischerweise bei einer feinwerktechnischen, also gewissermaßen makroskopischen Lösung vorliegen. Nach einer Anfangsauslenkung von 90° und einer Anfangswinkelgeschwindigkeit von 0°/s findet trotz einer Anlegung mit 100 Hz und 100 μm Amplitude eine gedämpfte Oszillation um die Ruhelage statt, wie es im obersten Diagramm von 4a gezeigt ist. Dem Phasendiagramm im mittleren Teilbild von 4a kann man entnehmen, dass das Pendel früher oder später dann auch in der stabilen Ruhelage bei 0°C verharren wird, da die Zustandskurve auf den Ursprung zukreist. Mit Hilfe des Phasendiagramms können somit Aussagen über den Verlauf der Lösung getroffen werden, ohne große Zeitintervalle simulieren zu müssen. Im untersten Teilbild von 4a ist ein Spektrum der in der Winkelgeschwindigkeit enthaltenen Frequenzkomponenten dargestellt, wobei zu sehen ist, dass der Grundschwingung Frequenzanteile aus der Anregung überlagert sind.According to the invention, it has been found that the ratio of vibration amplitude to pendulum length plays a decisive role. If this ratio is small, the pendulum can not be supplied with sufficient energy to cause it to rotate. This case will typically be present in a precision engineering, so to speak macroscopic solution. After an initial deflection of 90 ° and an initial angular velocity of 0 ° / s, despite an application with 100 Hz and 100 microns amplitude, a damped oscillation takes place around the rest position, as in the top diagram of 4a is shown. The phase diagram in the middle field of 4a it can be seen that sooner or later the pendulum will remain in the stable rest position at 0 ° C, since the state curve circles towards the origin. With the aid of the phase diagram, statements about the course of the solution can thus be made without having to simulate large time intervals. In the bottom part of 4a is shown a spectrum of the frequency components contained in the angular velocity, wherein it can be seen that the fundamental frequency components of the excitation are superimposed.

Ein komplett anderes Verhalten ergibt sich jedoch, wenn man die Initialbedingungen so wählt, dass die Anfangsdrehfrequenz der Vibrationsfrequenz entspricht. Die Lösung der Gleichung (5) in 2 für diese Anfangsbedingungen ist in dem oberen Teildiagramm von 4b gezeigt. Das Pendel rotiert nun für alle Zeiten. Eine Betrachtung in der Phasenebene macht jetzt keinen Sinn mehr, da der Wert des Winkels mit der Zeit gegen unendlich geht. Das Pendel nimmt bei der Abwärtsbewegung genetische Energie auf. In Folge dessen nimmt auch die Winkelgeschwindigkeit zu. Bei der Aufwärtsbewegung hingegen wird das Pendel entsprechend abgebremst. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass bei kleinem Verhältnis von Vibrationsamplitude zur Pendellänge dann eine Dauerrotation zustande kommt, wenn dafür gesorgt werden kann, dass die Anfangsdrehfrequenz der Vibrationsfrequenz entspricht. Weiter ist dies dann auch bei jeder beliebigen Frequenz möglich.However, a completely different behavior results if the initial conditions are selected such that the initial rotational frequency corresponds to the vibration frequency. The solution of equation (5) in 2 for these initial conditions is in the upper subdiagram of 4b shown. The pendulum now rotates for all times. A consideration in the phase plane makes no sense now, because the value of the angle with time goes to infinity. The pendulum absorbs genetic energy as it moves down. As a result, the angular velocity also increases. On the other hand, the pendulum is decelerated accordingly during the upward movement. In summary, it can be said that with a small ratio of vibration amplitude to pendulum length then a continuous rotation comes about, if it can be ensured that the initial rotational frequency of the vibration frequency corresponds. Next, this is also possible at any frequency.

Erfindungsgemäß benötigt eine feinwerktechnische Lösung somit eine Startereinrichtung 39, wie es in 3 schematisch eingezeichnet ist, um den Vibrationswandler zu starten, um also eine durch die Differenzialgleichung zweiter Ordnung bei (5) in 2 geforderte Anfangsbedingung zu erreichen. Die Startereinrichtung wird jedoch nur dann benötigt werden, wenn das Verhältnis zwischen Vibrationsamplitude zur Pendellänge sehr klein wird, wenn also die Vibration klein ist und das Pendel lang ist.According to the invention, a precision engineering solution thus requires a starter device 39 as it is in 3 is schematically drawn to start the vibration transducer, so one by the differential equation second order at (5) in 2 to achieve the required initial condition. However, the starter device will only be needed if the ratio between amplitude of vibration and pendulum length becomes very small, ie if the vibration is small and the pendulum is long.

Für eine mikromechanische Lösung (MEMS-Lösung) verhält sich jedoch der Vibrationswandler unterschiedlich. Bei einer solchen mikromechanischen Lösung liegt die Vibrationsamplitude in der Größenordnung der Pendellänge, da mikromechanische Fertigungsmethoden die Herstellung von Rotoren mit einem Radius von bis zu 200 μm erlauben. Solche Rotorradien würden einer herstellbaren Pendellänge entsprechen. Ferner stellt die reduzierte Pendellänge eines realen physischen Pendels eine weitere Annäherung an die Bedingung dar, dass die Pendellänge in der Größenordnung der Vibrationsamplitude sein soll. Untersucht man ein mikromechanisches Pendel, dessen Aufhängepunkt eine Vibration von 100 Hz mit einer Amplitude von 100 μm unterzogen wird, so ergibt sich ein Winkeldiagramm und ergibt sich ferner ein Winkelgeschwindigkeitsdiagramm, wie sie in 5 dargestellt sind.For a micromechanical solution (MEMS solution), however, the vibration transducer behaves differently. In such a micromechanical solution, the vibration amplitude is in the order of the pendulum length, since micromechanical manufacturing methods allow the production of rotors with a radius of up to 200 microns. Such rotor radii would correspond to a producible pendulum length. Furthermore, the reduced pendulum length of a real physical pendulum represents a further approximation to the condition that the pendulum length should be on the order of magnitude of the vibration amplitude. If one examines a micromechanical pendulum whose suspension point is subjected to a vibration of 100 Hz with an amplitude of 100 μm, the result is an angle diagram and also results in an angular velocity diagram, as in 5 are shown.

Als Anfangsbedingung wurde lediglich eine kleine Auslenkung vorgegeben, die Anfangswinkelgeschwindigkeit beträgt Null. Es stellt sich heraus, dass der erfindungsgemäße Vibrationswandler in diesem Fall von alleine in Rotation verfällt. Aus 5 ist auch ersichtlich, dass die Zeitfunktion der Winkelgeschwindigkeit kein periodisches Verhalten mehr zeigt. Trotz gleicher Anregungsfrequenz wie im Fall von 4a bzw. 4b werden größere Maximalwerte für die Winkelgeschwindigkeit er halten. Da sich dadurch auch der Fluss durch die Spulen mit der Zeit ändert, erhält man im Vergleich eine größere Induktionsspannung. Nachdem die Winkelgeschwindigkeit jedoch umkippt, also sich das Pendel in unterschiedlichen Richtungen dreht, wird im Mittel betrachtet eine insgesamt kleinere Winkelgeschwindigkeit erhalten als im feinmechanischen Fall, bei dem die Pendellänge größer als die Vibrationsamplitude ist. Die maximale Winkelgeschwindigkeit im chaotischen System ist, wie es ausgeführt worden ist, größer als die maximale Winkelgeschwindigkeit im feinwerktechnischen System. Allerdings ist die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit beim feinwerktechnischen System am größten. Die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit ist direkt mit der generierten Leistung verkoppelt, während die maximale Winkelgeschwindigkeit mit der Spannung gekoppelt ist.As initial condition, only a small deflection was specified, the initial angular velocity is zero. It turns out that the vibration transducer according to the invention in this case falls by itself in rotation. Out 5 It can also be seen that the time function of the angular velocity no longer shows any periodic behavior. Despite the same excitation frequency as in the case of 4a respectively. 4b will hold greater maximum values for the angular velocity. That I This also changes the flux through the coils with time, you get in comparison a larger induction voltage. However, after the angular velocity overturns, ie when the pendulum rotates in different directions, an overall smaller angular velocity is obtained on average than in the precision mechanical case in which the pendulum length is greater than the vibration amplitude. The maximum angular velocity in the chaotic system, as stated, is greater than the maximum angular velocity in the precision engineering system. However, the average angular velocity is highest in the precision engineering system. The average angular velocity is directly coupled to the generated power while the maximum angular velocity is coupled to the voltage.

Das mittlere Teilbild in 4a zeigt die Winkelgeschwindigkeit in rad/s als Funktion des Winkels in rad. Diese Darstellung wird auch als Phasendiagramm bezeichnet. Regelungstechnisch gesehen ist ein System dann stabil, wenn die Phasenbewegung auf den Ursprung zugeht. Dies ist der Fall, wenn die gedämpfte Pendelbewegung irgendwann einfach zum Stillstand kommt. Rotiert das System chaotisch in die eine und dann wieder in die andere Richtung, ist es „grenzstabil". Das System bewegt sich spiralmäßig weder auf den Ursprung zu, noch nehmen Winkelgeschwindigkeit bzw. Winkel beliebige Werte an. Für den feinmechanischen Fall geht der Winkel dagegen gegen unendlich. Dieses System ist instabil. Anhand der Phasenebene kann also untersucht werden, ob ein System chaotisch ist oder nicht.The middle part in 4a shows the angular velocity in radians / s as a function of the angle in radians. This representation is also referred to as a phase diagram. From a control point of view, a system is stable when the phase movement approaches the origin. This is the case when the damped pendulum movement eventually comes to a standstill. If the system rotates chaotically in one direction and then again in the other direction, it is "borderline stable." The system does not spiral toward the origin, nor does the angular velocity or angle assume any values against infinity, this system is unstable, so the phase plane can be used to investigate whether a system is chaotic or not.

7 zeigt eine Anregung des erfindungsgemäßen Vibrationswandlers mit der ersten Harmonischen einer Vibration auf der linken Seite und mit einer zunehmenden Anregung der zweiten Harmonischen auf der rechten Seite. Je nach Terminologie wird die erste Harmonische auch als Grundmodus bezeichnet, und wird die zweite Harmonische auch als erste Oberwelle bezeichnet. Aus 7 ist zu sehen, dass die mittlere Winkelgeschwindig keit im Falle der Anregung von sowohl erste harmonische als auch zweite harmonische höher ist. Daraus ist ersichtlich, dass sowohl die Energie des Grundmodus als auch die Energie der ersten Oberwelle in eine elektrische Leistung umgesetzt werden. 7 shows an excitation of the vibration transducer according to the invention with the first harmonic of a vibration on the left side and with an increasing excitation of the second harmonic on the right side. Depending on terminology, the first harmonic is also referred to as the fundamental mode, and the second harmonic is also referred to as the first harmonic. Out 7 It can be seen that the average angular velocity is higher in the case of excitation of both first harmonic and second harmonic. It can be seen that both the energy of the fundamental mode and the energy of the first harmonic are converted into electrical power.

8 zeigt ferner eine Darstellung der effektiven Leistung bei einer Anregung mit 50 Hz und 200 μm Amplitude als Funktion des Lastwiderstands mit einem potentiellen Fit. Es ist zu sehen, dass mit größer werdendem Lastwiderstand die abgegebene Effektivleistung abnimmt. 8th Figure 14 also shows a plot of the effective power at 50 Hz and 200 μm amplitude excitation as a function of the load resistance with a potential fit. It can be seen that with increasing load resistance, the delivered effective power decreases.

9 zeigt dagegen die effektive Spannung als Funktion der Frequenz bei dem Lastwiderstand von 50 Ohm und einer Vibrationsamplitude von 200 μm. So können bei Frequenzen von über 140 Hz bereits Spannungsamplituden von bis zu 0,5 V erzeugt werden. 9 on the other hand shows the effective voltage as a function of the frequency at the load resistance of 50 ohms and a vibration amplitude of 200 microns. For example, at frequencies above 140 Hz, voltage amplitudes of up to 0.5 V can already be generated.

Claims

Vibration converter having the following features: a pendulum ( 33b ), so at a base ( 33a ), that the pendulum ( 33b ) in response to one at the base ( 33a ) vibration ( 13 ) with regard to the base ( 33a ) in a circular motion ( 15 ) around a pivot ( 10 ) emotional; an energy converter arrangement ( 16 . 17 ), which is adapted to the circular movement ( 15 ) of the pendulum into an electrical signal; and an electrical outlet ( 35 ) to which a load ( 36 ) can be coupled.

A vibration transducer according to claim 1, wherein the pendulum ( 33b ) on an axis ( 10 ), wherein the axis ( 10 ) about a warehouse ( 11 ) rotatable on the base ( 33a ) is stored.

A vibration transducer according to claim 1 or claim 2, wherein the pendulum ( 33b ) is suspended from the base so that it makes a complete circular motion over 360 °.

Vibration converter according to one of the preceding claims, in which the base ( 33a ) has a front and a back, and in which the pendulum has a first pendulum part ( 33b ), which is opposite the front, and a second pendulum part ( 33c ) facing the rear side.

A vibration transducer according to claim 4, wherein the first pendulum (part 33b ) and the second pendulum (part 33c ) miteinan of about an axis ( 10 ), which extend through a hole in the base ( 33a ).

Vibration converter according to one of the preceding claims, in which the pendulum ( 33b ) suspended unsprung, such that the pendulum performs a circular motion without a resilient restoring force when the base ( 33a ) of a vibration ( 13 ) is exposed.

Vibration converter according to one of the preceding claims, in which the pendulum ( 33b ) has a pendulum length that is at least twice as large as an expected vibration amplitude.

A vibration transducer according to claim 7, further comprising: a starter device ( 39 ) for applying a starter angular velocity to the pendulum having a frequency equal to or greater than an expected vibration frequency, or deviating less than a tolerance limit from the expected vibration frequency.

A vibration transducer according to claim 8, wherein the tolerance limit defines an area around the expected vibration frequency, the from 0.5 times to 1.5 times the expected vibration frequency extends.

Vibration converter according to one of claims 1 to 6, where the pendulum has a pendulum length less than twice as big as is an expected vibration amplitude.

Vibration converter according to one of claims 1 to 6 or 10, which is designed as an electromechanical microsystem (MEMS) is.

Vibration converter according to one of the preceding claims, in which the energy converter arrangement ( 34 ) is designed as an inductive energy converter arrangement, and has the following features: one on the pendulum ( 33b ) attached magnet; and a plurality of coils ( 17 ) at the base ( 33a ) are attached.

A vibration transducer according to claim 12, wherein the electrical output ( 35 ) has two output nodes, the coils being connected to the output nodes in a series connection, a parallel connection or a mixed series / parallel circuit.