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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Generatoren sind allgegenwärtige Vorrichtungen, die in den meisten Anwendungen Gebrauch finden, die eine Erzeugung elektrischer Leistung erfordern. Im Allgemeinen basieren sie auf einer Kreisbewegung; die Anzahl der elektrischen Generatoren, die für die Verwendung mit einer nicht kreisförmigen Bewegung geeignet ist, ist relativ eingeschränkt. Es gibt zahlreiche Anwendungen, wo kinetische Energie einer Bewegung in nicht kreisförmiger oder sogar in einer Zufallsrichtung verschwendet wird, und deshalb würde eine Vorrichtung Verwendung finden, die zum Ernten bzw. Aufsammeln (Harvesting) dieser Energie geeignet ist. Das
U.S. Patent 7,105,939 offenbart eine Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, kinetische Energie einer repetitiven Linearbewegung zu ernten bzw. umzuwandeln, z. B. in einem Rohr, das zum Beispiel für eine Taschenlampe verwendet wird, durch Schütteln des Rohres wird der Schaltkreis aufgeladen (siehe
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Es versteht sich jedoch, dass das Ein- oder Aufsammeln bzw. Ernten von kinetischer Energie, die im Gegensatz zu einer streng linearen Bewegung einer zufällig orientierten Bewegung inhärent ist, eine erhebliche Ausdehnung der Bereiche bzw. Flächen begründen würde, in denen mögliche Energiesammelvorrichtungen (energy harvesting devices; EHD) wirksam sein könnten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wirksame elektromagnetische Erzeugungsvorrichtung für elektrischen Strom bereit zu stellen, die eine hohle äußere Hülle mit einer Seitenwand 201, einem inneren Kern 102, der sich in der äußeren Hülle 201 frei bewegen kann, wobei der innere Kern gekennzeichnet ist durch eine vorbestimmte magnetische Feldverteilung über seine äußere Fläche; mindestens eine Leiterschleife 103, die in oder auf der äußeren Hülle angeordnet ist, geeignet um eine sich verändernde Spannung aufgrund des sich verändernden magnetischen Flusses des inneren Kerns zu erzeugen; und eine Diodenbrücke aufweist, die mit einem Leitungsdraht 300 verbunden ist, geeignet um die sich verändernde Spannung gleich zu richten.
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Bevorzugt sind die äußere Hülle und der innere Kern Kugeln oder Zylinder.
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Vorteilhafter Weise sind die Innenfläche der äußeren Hülle und die Außenfläche des inneren Kerns mindestens teilweise durch ein wirksames Maß an Magneten bedeckt, dotiert, eingetaucht, imprägniert, durchtränkt, beschichtet, lackiert oder in sonstiger Weise angeordnet, wobei die Magneten scheibenförmig sind oder in Pulverform selbiges aufweisen.
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Mit weiterem Vorteil weist der innere Kern eine nicht gleichförmige Masse auf, wodurch die erratische Bewegung des inneren Kerns erhöht wird.
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Bevorzugt weist der Generator zwei oder mehr Kerne auf.
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Mit Vorteil ist der innere Kern eine Anordnung einer Vielzahl von Magneten, die eine beliebige Form mit einer einzelnen vorbestimmten Polarität ausbilden, insbesondere eine Pyramide.
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Es ist ebenfalls im Umfang der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektromagnetischen Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms vorzusehen, das aufweist: der äußeren Hülle eine messbare Beschleunigung oder Geschwindigkeit verleihen, so dass der innere Kern vor und zurück angetrieben wird; dadurch Induzieren einer Veränderung der magnetischen Flussdichte, und Erzeugen eines elektrischen Stroms, bis die Beschleunigung oder der Antrieb der äußeren Hülle aufhört.
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Mit besonderem Vorteil umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Anordnung einer Mehrzahl von Magneten, die in einer beliebigen geeigneten Form ausgebildet sind, mit einer einzelnen vorbestimmten magnetischen Polarität, insbesondere einer Pyramide.
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Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Energieumwandlungsvorrichtung bzw. Energieerntevorrichtung (energy harvesting device; EHD) bereitzustellen mit:
- a. einer hohlen äußeren Hülle, die eine Innenwand aufweist, mit einer vorbestimmten magnetischen Feldverteilung auf ihrer inneren Oberfläche;
- b. mindestens einem innere Kern, der sich in der Hülle frei bewegen kann, gekennzeichnet durch eine vorbestimmte magnetische Feldverteilung über seine äußere Oberfläche, wobei der innere Kern gekennzeichnet ist durch eine oder mehrere konvexe Projektionen von magnetisch aktivem Material;
- c. mindestens einer Leiterschleife, die an Orten angeordnet ist, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus der äußeren Hülle und der inneren Hülle bestehen, um mit magnetischem Fluss aufgrund der besagten Feldverteilung des mindestens einen inneren Kerns und der mindestens einen äußeren Hülle durchflutet zu werden;
- d. einer Gleichrichtschaltung in elektrischer Verbindung mit der mindestens einen Leiterschleife, die geeignet ist, die dadurch entwickelte fluktuierende Spannung in eine Spannung zu transformieren, die eine Gleichstromkomponente aufweist.
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Bevorzugt ist das magnetisch aktive Material aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus: Permanentmagnetmaterial, magnetisch permeables Material und Kombinationen davon.
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Mit weiterem Vorteil ist das Permanentmagnetmaterial aus der Gruppe ausgewählt, die aus Neodym-Eisen-Bor, Samariumkobalt, Keramik und Aluminiumnickelkobaltlegierung besteht.
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Vorzugsweise sind die Magnete scheibenförmig.
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Alternativ können die Magnete in einer pulverförmigen Form ausgebildet sein.
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Mit Vorteil ist die Richtung des magnetischen Materials sowohl für den inneren Kern als auch für die äußere Hülle radial und von entgegen gesetzter Polarität.
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Die Gleichrichtschaltung ist bevorzugt ein Vollweggleichrichter oder ein Halbwellengleichrichter.
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Die äußere Hülle und/oder der innere Kern sind vorteilhafter Weise individuell aus der Gruppe ausgewählt, die aus Mustern besteht, die ausgewählt sind aus Kugeln, Linsen und linsenartigen Mustern, Zylindern, mit Molybdän erweiterte Polyeder, mit Cupolae erweiterte Rhomboeder, rhombisch erweiterte Deltaeder, mit verzerrtem Polygon erweiterte Polyeder, Ikosidodekaeder, katalanische Körper, gleichmäßige Polyeder, isoedrische Polyeder, konvexe Polyeder, isoedrische Deltaeder, Akroeder, Johnson Körper, chirale prismatische Polyeder, platonische Körper und unregelmäßige Formen.
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Die äußere Hülle und/oder der innere Kern stellen mit Vorteil ein Verbundmuster in einer Art und Weise dar, dass ein erstes Muster (zum Beispiel eine Kugel) ein zweites Muster (zum Beispiel eine Mehrzahl von Kugeln, entweder in einem Muster oder in einem Array, das ein zusammengesetztes Muster wie ein Bienenauge bildet; oder ein beliebiges anderes Muster wie oben definiert) aufweist oder davon überdeckt ist, oder damit beschichtet ist oder in Verbindung ist.
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Die äußere Hülle und/oder der innere Kern sind weiterhin bevorzugt Muster, die aus konvexer Linse, konvergierender Linse, konkaver Linse oder einer Mischung daraus ausgewählt sind.
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Die äußere Hülle und/oder der innere Kern sind mit weiterem Vorteil Verbundmuster, die aus einem ersten Muster, zum Beispiel konvexer Linse, konvergierender Linse, konkaver Linse oder einer Mischung daraus, ausgewählt ist, das mindestens ein zweites Muster aufweist, oder davon überlagert ist, oder dadurch beschichtet ist, oder in Verbindung damit ist, das aus Linsen und linsenartigen Mustern oder anderen beliebigen Mustern ausgewählt ist.
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Die äußere Hülle und/oder der innere Kern sind bevorzugt Verbundmuster, die aus einem ersten Muster von einer beliebigen Struktur oder Textur ausgewählt sind, die mindestens ein zweites Muster aufweisen oder davon überlagert sind oder damit beschichtet sind oder in Verbindung damit sind das aus einer konvexen Linse, einer konvergierenden Linse, einer konkaven Linse oder einer Mischung davon ausgewählt ist.
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Des Weiteren sind vorteilhafter Weise die innere Oberfläche der äußeren Hülle und die äußere Hülle des inneren Kerns mindestens teilweise von einem permanent magnetischen Material bedeckt.
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Des Weiteren sind mit Vorteil die innere Oberfläche der äußern Hülle und die äußere Oberfläche des inneren Kerns mindestens teilweise durch magnetisch permeables magnetisches Material bedeckt.
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Der innere Kern ist vorteilhafter Weise ein Kolben.
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Der innere Kern weist bevorzugt einen Massenschwerpunkt auf, der von seinem geometrischen Mittelpunkt entfernt ist, wodurch die erratische Bewegung des inneren Kerns erhöht wird.
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Weiterhin werden Verfahren zum Aufsammeln bzw. Ernten von Energie bereitgestellt, die aus folgenden Schritten bestehen: Bereitstellen einer hohlen äußeren Hülle, die magnetisch aktive Materialien und einen Satz von elektrischen Spulen enthält, und eines Innenkörpers, der magnetisch aktive Materialien enthält, die geeignet sind, sich innerhalb der äußeren Hülle zu bewegen, wodurch eine Spannung in den Spulen erzeugt wird, die nachfolgend durch Gleichrichtmittel gleichgerichtet wird.
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Während die Erfindung auf verschiedene Modifikationen und alternative Formen empfänglich ist, wurden spezifische Ausführungsformen davon beispielhaft in den Figuren dargestellt und werden hierin nachfolgend im Detail beschrieben.
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Es versteht sich jedoch, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen zu beschränken, im Gegenteil, es ist beabsichtigt, alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die innerhalb der Natur und des Umfangs der Erfindung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Um die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis umgesetzt werden kann, und lediglich mittels nicht einschränkender Beispiele wird Bezug genommen auf die beigefügten Figuren, in denen
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1 eine Energieerntevorrichtung bzw. Energy Harvesting Device (EHD) des Standes der Technik ist;
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2 ein Querschnitt der inneren und äußeren Abschnitte einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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3 ein Querschnitt einer Ausführungsform der inneren Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, die die magnetische Feldverteilung zeigt;
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4 eine Nahaufnahme eines Magnets der inneren Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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5 ein Querschnitt einer Ausführungsform der inneren Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit pyramidenförmigen Eisenkappen ist, die ihre magnetische Feldverteilung zeigt;
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6 eine Nahaufnahme der Vorrichtung aus 5 ist;
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7 ein Querschnitt einer Ausführungsform der inneren Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dünnen rechteckigen Erweiterungen ist, die ihre magnetische Feldverteilung zeigt;
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8 eine Nahaufnahme der Vorrichtung aus 7 ist; und
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9 eine teilweise perspektivische Ansicht der pyramidenförmigen inneren und äußeren Objekte ist.
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Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Die nachfolgende Beschreibung wird neben allen Kapiteln der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, um einen beliebigen Fachmann in die Lage zu versetzen, von der Erfindung Gebrauch zu machen, und legt die besten Ausführungsformen dar, die von dem Erfinder zur Ausführung dieser Erfindung berücksichtigt wurden. Dem einschlägigen Fachmann werden jedoch verschiedene Modifikationen bzw. Abänderungen deutlich, da die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung insbesondere definiert wurden, um eine elektromagnetische Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom und ein Verfahren dazu bereit zu stellen.
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Der Begriff ”Leitungsdraht” bezieht sich in der vorliegenden Erfindung auf einen beliebigen elektromagnetischen Draht oder längliche Ader aus gezogenem Metall, die optional schleifenförmig sein kann, um eine elektronische Spule oder einen Elektromagneten zu bilden.
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Der Begriff ”Diodenbrücke” bezieht sich in der vorliegenden Erfindung auf eine beliebige Anordnung von vier Dioden, die in einer Brückenschaltung verbunden sind, die dieselbe Polarität der Ausgangsspannung für eine beliebige Polarität der Eingangsspannung bereitstellt. Sie wird zur Umwandlung von Wechselstrom (AC) am Eingang zu Gleichstrom (DC) am Ausgang verwendet.
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Der Begriff ”Strom” bezieht sich in der vorliegenden Erfindung auf elektrischen Gleichstrom und/oder elektrischen Wechselstrom.
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Der Begriff ”Wechselstrom” bezieht sich in der vorliegenden Erfindung auf einen elektrischen Strom, dessen Magnitude und Richtung mit nicht gleichförmiger Frequenz variiert, nicht ausschließlich sinusförmig.
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Der Begriff ”erratisch” bezieht sich in der vorliegenden Erfindung auf die gleichzeitige Rotations- und Linearbewegung des inneren Kerns.
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Der Begriff ”Mehrzahl” ist hierin auf eine beliebige ganze Zahl größer als oder gleich eins anzuwenden.
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Der Begriff ”magnetische Bestandteile” bezieht sich hierin auf Permanentmagnetmaterial, hoch permeables Material, elektromagnetische Komponenten oder deren Kombinationen.
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Faradays Induktionsgesetz gibt die Relation zwischen der Veränderungsrate des magnetischen Flusses durch die Fläche S, die durch eine Kontur C umschlossen ist, und dem Gradienten des elektrischen Feldes entlang der Kontur an. Dieses Gesetz sagt aus, dass eine Spannung in einem geschlossenen elektrischen Schaltkreis induziert wird, wenn der magnetische Fluss Φ durch den Schaltkreis sich ändert, und zwar durch eine Menge V = dϕ / dt
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer inneren Einheit und einer äußeren Einheit, die die innere Einheit enthält zum Beispiel eine Kugel, die innerhalb einer äußeren Hohlkugel enthalten ist. Entweder die Außenfläche der inneren Kugel oder die Innenfläche der äußeren Kugel, oder beide, sind mit Magnetfeldquellen, wie zum Beispiel Permanentmagneten abgedeckt. Ein Satz von Spulen auf einer oder mehrerer der zuvor erwähnten Oberflächen entwickelt veränderliche Spannungen, wenn eine relative Bewegung zwischen den inneren und äußeren Einheiten vorhanden ist. Diese Spannung wird (zum Beispiel) durch eine Diodenbrücke gleichgerichtet und zur elektrischen Stromerzeugung verwendet, wodurch ein neuer Generator zum Aufsammeln bzw. Erzeugen kinetischer Energie implementiert wird.
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2 zeigt einen Querschnitt der inneren Einheit 202 und der äußeren Einheit 201, die eine Implementierung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bilden. Die äußere Einheit ist hohl und weist eine äußere Oberfläche 201 und eine innere Oberfläche 200 auf. Auf entweder der inneren Oberfläche der äußeren Einheit 200 oder der äußeren Oberfläche der inneren Einheit 202, oder auf beiden, sind Magnete angeordnet. Wenn diese Magnete auf beiden Oberflächen 200, 202 angeordnet sind und dieselbe Polarität aufweisen (zum Beispiel beide ”Nord”), wirken ihre Felder zusammen und die Einheiten neigen dazu, einander in bestimmten Konfigurationen abzustoßen und einander in anderen Konfigurationen anzuziehen. Die elektrischen Spulen 203 sind in diesem Beispiel nur innerhalb der Oberfläche 200 angeordnet und sind geeignet, mit dem veränderbaren Fluss der inneren Einheit 202 geflutet zu werden, wenn sie sich dreht, taumelt, springt und sich in anderer Weise bewegt. Diese Bewegung kann von dem Schütteln der äußeren Kugel 201, deren Rollen oder dergleichen herrühren. Die Spulen 203 erzeugen deshalb einen Wechselstrom, der zum Beispiel durch einen Vollweggleichrichter 204 gleichgerichtet werden kann, der in Reihe geschaltet ist, und kann für elektrische Leistung zum Beispiel in einer Uhr, in einer Handtaschenlampe, in einer USB-Vorrichtung, in einem Batterieladegerät oder in einem beliebigen anderen Gerät eingesetzt werden, das elektrische Energie erfordert.
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Es wird nun Bezug auf 3 genommen, die einen Querschnitt des inneren Balls darstellt, der die Verteilung des Magnetfelds basierend auf einer Reihe von radial nach außen gerichteten Permanentmagneten vom Typ NFB zeigt, die die ein Restfeld von 50 MGOe aufweisen. Wie sich aus der Fig. entnehmen lässt, resultiert daraus eine komplexe Verteilung, mit nach außen und nach innen zeigenden Feldvektoren auf der äußeren Oberfläche des Balls.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, die eine Nahaufnahme eines der Permanentmagneten aus 3 zeigt. Wie man aus der Figur in einem Abstand von etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) von der Oberfläche des Magneten sehen kann, erhält man ein Feld von etwa 0,2 Tesla (das Gitternetz von Punkten in der Zeichnung weist eine Beabstandung von 2,54 mm auf).
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Es wird nun Bezug genommen auf 5, die einen Querschnitt des inneren Balls zeigt, der die Verteilung des Magnetfelds aufgrund einer Reihe von radial nach außen gerichteten Permanentmagneten vom Typ NFB zeigt mit einem Restfeld von 50 MGOe, und die mit chronischen Kappen bzw. Deckeln aus Weicheisen ausgestattet sind. Wie man aus der Figur entnehmen kann resultiert daraus eine komplexe Verteilung, jedoch ist das nach außen zeigende Feld im Vergleich zu dem Feld ohne solche Eisenkappen leicht verbreitert.
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Bezug genommen wird nun auf 6, die eine Nahaufnahme eines der Permanentmagneten mit Eisenkappe aus 5 zeigt. Wie aus der Figur erkennbar ist, erhält man in einem Abstand von etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) von der Oberfläche des Magneten ein Feld von etwa 0,4 Tesla gegenüber 0,2 Tesla, die man ohne solche Kappen erhält.
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Nun wird Bezug genommen auf 7, die einen Querschnitt des inneren Balls zeigt, der die Verteilung des Magnetfelds aufgrund einer Reihe von radial nach außen gerichteten Permanentmagneten vom Typ NFB zeigt, die ein Restfeld von 50 MGOe aufweisen, und die mit dünnen rechteckigen Erweiterungen aus Weicheisen versehen sind. Wie man aus der Figur entnehmen kann, resultiert daraus eine komplexe Verteilung, jedoch ist das nach außen gerichtete Feld nach außen erweitert, wenn man es mit dem Feld ohne derartige Erweiterungen vergleicht.
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Bezug genommen wird nun auf 8, die eine Nahaufnahme eines der Permanentmagneten ohne Eisendeckel aus 5 zeigt. Wie man aus der Figur erkennen kann, erhält man in einem Abstand von etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) von der Oberfläche des Magneten ein Feld von etwa 0,4 Tesla gegenüber dem Feld von 0,2 Tesla, das man ohne solche Kappen erhält. Ein normaler Fluss von etwa 9 × 10–6 W wird durch die Oberfläche 801 ermittelt, ein Wert, der signifikant verstärkt ist gegenüber dem, der ohne Verwendung der rechteckigen Eisenerweiterungen ermittelt wurde.
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Bezug genommen wird nun auf 9, wo unterschiedliche Ausführungsformen der inneren Einheit dargestellt sind, die folgende formen annehmen können: mit Molybdän erweiterte Polyeder, mit Cupolae erweiterte Rhomboeder, mit verzerrtem Polygon erweiterte Polyeder, Ikosidodekaeder und katalanische Körper.
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Wie der einschlägige Fachmann ohne weiteres erkennen kann, können die Oberflächen dieser und anderer Festkörper mit Anordnungen aus Permanentmagnetmaterial und magnetisch hoch permeablen Material abgedeckt sein, so dass der Fluss Φ, durch den die Spulen 203 schneiden, über eine durchschnittliche Trajektorie der inneren Einheit 202 maximiert wird.
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Die so offenbarte Energieumwandlungs- bzw. Aufsammelvorrichtung kann in einen schwebenden Körper eingearbeitet werden und kann geeignet sein, zum Beispiel eine Wellenbewegung des Meeres auszunutzen. Die Wellenbewegungen, die fast immer mit unterschiedlichen Intensitäten vorhanden sind, werden zusammen mit bekannten Induktionsprinzipien verwendet, um elektrische Leistung zu erhalten oder zu erzeugen. Die Meereswellenbewegung kann eine relative Bewegung zwischen den Induktionselementen verursachen, um Elektrizität zu erzeugen. Der Generator kann auch in eine Boje eingebaut werden, die an einem Boot befestigt werden kann.
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Die hierin offenbarte Energieumwandlungs- bzw. -aufsammelvorrichtung kann zum Beispiel in verschiedenen Speicherprozessen für militärische Anwendungen verwendet werden. Die Energieumwandlungsvorrichtung bzw. Energy Harvesting Vorrichtung kann auch in einer Uhr eingebaut sein, und kann geeignet sein, zum Beispiel die menschliche Armbewegung auszunutzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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