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Energiewandler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischmechanischen Energiewandler
zur Umsetzung von Bewegungsenergie in elektrische Energie mit einem langgestreckten
Bewegungskörper, der in seiner Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete magnetische
Bereiche mit abwechselnd entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung enthält. Der
Bewegungskörper ist in einem Ständer beweglich gelagert, der mit Polschuhen für
die magnetischen Bereiche versehen ist.
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In Energiewandlern für verhältnismäßig geringe Leistung, vorzugsweise
im Leistungsbereich <100 mW, können mit Hilfe von Strömen wechselnder Richtung
bewegbare Körper hin und her bewegt oder mit dem bewegten Körper Gleich- oder Wechselströme
erzeugt werden. In dieser bekannten Ausführungsform eines
Energiewandlers
zur Umsetzung von Bewegungsenergie, insbesondere von ergonomischer Energie, in elektrische
Energie ist ein langgestreckter Bewegungskörper vorgesehen, der in der Bewegungsrichtung
hintereinander angeordnete Dauermagnete mit radialer Magnetisierung und abwechselnd
entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung enthält. Dieser Bewegungskörper ist in
axialer Richtung in einem Ständer schwingfähig gelagert, der mit Polschuhpaaren
versehen ist, die den Bewegungskörper weitgehend umschließen und deren Anzahl und
Ausdehnung in der Längsrichtung gleich den Magnetisierungsperioden auf dem Bewegungskörper
ist. Die Polschuhpaare gehören jeweils zu einem magnetischen Rückschluß für die
Magnete des Bewegungskörpers. Der Ständer enthält eine vom Fluß der Magneten des
Bewegungskörpers durchsetzte Spule, deren Magnetfluß sich mit der Schwingbewegung
des Bewegungskörpers ändert und entsprechende elektrische Impulse liefert (deutsche
Offenlegungsschrift 17 63 237).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Energiewandler
zu verbessern, insbesondere sollen die Energieverluste des Wandlers und seine Größe
bei gleicher Leistung vermindert werden.
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Es ist bekannt, daß bewegte Körper, beispielsweise die Antriebswelle
rotierender Körper, mit Hilfe einer Schwebe lagerung durch abstoßende Magnetkräfte
reibungsfrei gelagert werden können. In einer bekannten Ausführungsform wird das
Gewicht der Welle und der mit ihr verbundenen Teile durch magnetische Felder teilweise
oder auch ganz kompensiert. Bei teilweiser Kompensierung wird der Druck der Welle
auf ein tragendes Lager vermindert. Im Falle der vollständigen
Kompensierung
wird die Welle magnetisch in der Schwebe gehalten. Am oberen Ende der Welle ist
ein Magnetring befestigt, der sich über einem feststehenden Magnetring befindet.
Die Polarität dieser Magnetringe ist so gewählt, daß sie abstoßende Magnetkräfte
erzeugen und die Welle zentrieren. Außer diesem Füh rungssystem ist zur Stabilisierung
der Welle ein zusätzliches Stabilisierungssystem mit einem Topfmagneten erforderlich,
in dessen Magnetfeld sich ein an der Antriebswelle befestiger diamagnetischer Körper
befindet. Durch die abstoßenden Magnetkräfte wird die Welle in einer vorgegebenen
Höhe gehalten und berührungslos gelagert (deutsche Offenlegungsschrift 14 72 413).
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Die erwähnte Aufgabe wird nun bei einem Energiewandler der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für den Bewegungskörper eine berührungsfreie
magnetische Schwebelagerung durch abstoßende Magnetkräfte mit mindestens vier Paaren
von Führungsmagneten vorgesehen ist, die zwischen dem Bewegungskörper und dem Ständer
einander gegenüber derart angeordnet sind, daß die Summe ihrer Kraftkomponenten
in den beiden Dimensionen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers Null
ist. Mit dieser Gestaltung bilden die Führungsmagnete nicht nur die Führungskräfte,
sondern auch Tragkräfte zur Stabilisierung des zwischen den Polschuhen des Ständers
angeordneten Bewegungskörpers aus. Der Bewegungskörper ist derart in der Bewegungsrichtung
hintereinander mit magnetischen Bereichen mit abwechselnd entgegengesetzter Magnetisierung
senkrecht zur Bewegungsrichtung versehen, daß beim Schwingen ein sich periodisch
ändernder Magnetfluß in den Polschuhen des Ständers entsteht. Dieser Magnetfluß
wirkt
über den Rückschluß auf eine oder mehrere Spulen und erzeugt dort eine Induktionswechselspannung,
wird der Polschuhabstand doppelt so groß wie die Länge eines Magnetisierungsbereichs
gewählt, so läßt sich auch eine pulsierende Gleichspannung erzeugen. Die Ausgangsimpulse
können direkt oder auch über ein entsprechend ausgelegtes elektronisches Speichermedium,
bei.pielsweise eine SpeicherkapazitFt, an einen Verbraucher weitergegeben werden.
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Jeweils zwei Paare von FUhrungsmagneten, die auf gegenüberliegenden
Seiten senkrecht zur Bewegungsrichtung de; Bewegungskörpers angeordnet sind, erzeugen
Kraf;komponenten mit gleicher Größe und entgegengesetz@er Richtung, die den Bewegungskörper
in der Ruhe Lage so fixieren, daß die gleichnamigen Pole jedes der Polpaare mit
einem vorbestimmten Luftspalt einander gegenüberliegen. Mechanische Reibungskräfte
können somit nicht entstehen.
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Wirkt auf den Bewegungskörper eine von seiner Bewegungsrichtung abweichende
Kraftkompqnente, so wird der Luftspalt eines der Polpaare der Führungsmagneten vergrößert
und die abstoßende Kraft nimmt entsprechend ab. Zugleich wird der Luftspalt d.q
zugeordneten Führungsmagneten auf der gegenüberliegenden Seite des Bewegungskörpers
vermindert und die entsprewhend zunehmende Magnetkraft dieses tUhrungsmagneten wirkt
als Rückstellkraft auf 4en -wegungskörper, der einen neuen Gleichgewichtszustand
einnimmt, in dem die Summe der Kräfte NU; st. pie Führungsmagnete halten somit den
Bewegungskörper in den beiden Richtungen senkrecht Zr Bewegungsrichtung berührungsfrei
in der Schwebe. Die dem Bewegungskörper zugeführte Antriebsenergie kann deshalb
mit
entsprechend höherem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Energiewandlers ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Zur Erläuterung des Energiewandlers wird auf die Zeichnung Bezug genommen,
in der ein AusfUhrungsbeispiel eines Energiewandlers nach der Erfindung schematisch
veranschaulicht ist. Figur 1 zeigt einen Querschnitt und Figur 2 eine Seitenansicht
des Wandlers. Ein weiterer Schnitt ist in Figur 3 dargestellt.
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Im Schnitt durch einen magnetischen Bereich eines Energiewandlers
nach Fig. 1 ist ein langgestreckter Bewegungskörper 2 mit einem magnetischem Bereich
versehen, der einen flachen Magneten ( enthält, dessen Magnetisierung durch Bezeichnungen
S und N angedeutet ist. Gegenüber den Polflächen des Magneten 6 ist mit einem geringen
Luftspalt der in der Figur zur Verdeutlichung etwas vergrößert dtrgestellt ist,
jeweils ein Polschuh 8 bzw. 10 vorgesehen. Der Polschuh 8 ist über einen Steg 14
verbunden, der mit einer Bohrung versehen ist, durch die ein Schenkel eines beispielsweise
U-förmigen RUckschlußkörpers 16 hindurchgeführt ist. In gleicher Weise ist der Pol-
-schuh 10 über einen Steg 20 verbunden der ebenfalls mit einer Bohrung versehen
ist, durch die ein Schenkel des Rückschlußkörpers 16 hindurchgeführt ist.
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Der Rewegungskörper 2 hat im wesentlichen die Form eines Quaders,
der an einen Schmalfl,Schenmit etwa prismaförmigen Ansäte: 22 bzw. 24 ve sehen ist
und beispielsweise aus magnetisch nichtleLtendemMaterial,
vorzugsweise
Kunststoff, bestehen kann.
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Zwischen dem Bewegungskörper 2 und den Polschuhen 8 und 10, die zum
Ständer des Energiewandlers gehören, sind vier Paare von FUhrungsmagneten vorgesehen,
die in der Figur mit 26 bis 33 bezeichnet sind. Die einander zugeordneten Führungsmagnete
beispielsweise 26 und 27 stehen sich in einem geringen Abstand a gegenüber. Die
Abstände der weiteren Führungsmagnete sind in der Figur mit b, c und d bezeichnet
und sind alle zur Verdeutlichung etwas vergrößert dargestellt. In der praktischen
Ausführungsform eines Energiewandlers werden die Luftspalte a bis d etwa 0,1 bis
0,3 mm betragen und 0,5 mm im allgemeinen nicht wesentlich überschreiten. Der Magnet
6 des Bewegungskörpers 2 kann vorzugsweise aus einer Kobaltverbindung mit einer
der seltenen Erden, beispielsweise Samarium-Kobalt (SmCo5) bestehen. Die Führungsmagnete
26 bis 32 können ebenfalls aus einer Kobaltverbindung mit einer der seltenen Erden
bestehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die FUhrungsmagnete 26 bis 33
aus einem magnetischen Material mit einer geringeren Koerzitivkraft, beispielsweise
aus einer Barium-Eisenverbindung zu wählen. Der Führungsmagnet 26 ist auf einem
Kunststoffteil 36 angeordnet, daß am Polschuh 10 bzw. dem Steg 20 befestigt ist.
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In gleicher Weise ist der Führungsmagnet 30 über ein Kunststoffteil
40 am Polschuh 10 befestigt.
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Die beiden Führungsmagnete 28 und 32 sind in gleicher Weise jeweils
über ein Kunststoffteil 38 bzw. 42 am Polschuh 8 befestigt.
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Die in der Figur jeweils mit N und S angedeutete Magnetisierungsrichtung
der Führungsmagnete 26 bis 33 ist so gewählt, daß sie abstoßende Magnetkräfte
erzeugen.
Auf die Führungsmagnete 26 und 27 wirkt beispielsweise eine Kraft K1. Die zwischen
den Magnetpaaren der übrigen Führungsmagnetewirkenden Kräfte sind mit K2, K3 und
K4 bezeichnet. Dei Bewegungskörper 2 soll beispielsweise in der Richtung senkrecht
zur Zeichenebene linear beweglich sein. Durch die berührungsfreie magnetische Schwebelagerung
soll eine Bewegung in den Dimensionen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bewegungskörpers
2 verhindert werden. Diese Dimensionen sind in der Figur durch ein Achsenkreuz angedeutet
und mit x und y bezeichnet. Die magnetischen Kräfte K1 bis K4 können zerlegt werden
in ihre Komponenten in der x- und y-Richtung. Die Kraft K1 erhält dann die Komponenten
K1X und K1y. In gleicher Weise können die Kräfte K2, K3 und K4 zerlegt werden in
ihre Komponenten K2X und K2y bzw. K3x und K3y bzw. K4x und K4y Wirkt auf den Bewegungskörper
2 kurzzeitig eine Kraft P, beispielsweise eine Stoßkraft mit einer von seiner Bewegungsrichtung
abweichenden Komponante, in senkrechter Richtung, so kann er durch diese Kraft aus
seiner Gleichgewichtslage verlagert werden. Durch diese Bewegung werden die Luftspalte
a und b zwischen den Führungsmagneten 26 und 27 sowie 28 und 29 verkleinert und
in gleicher Weise die Luftspalte c und d zwischen den Führungsmagneten 30 und 31
sowie 32 und 33 entsprechend vergrößert. Die Verkleinerung der Luftspalte a und
b bewirkt eine Erhöhung der magnetischen Kräfte K1 und K2 und somit eine entsprechende
Zunahme der Komponenten K1y und KSy, die in der dargestellten Lage des Bewegungskörpers
2 als Tragkräfte wirken. In gleicher Weise bewirkt die Vergrößerung der Luftspalte
c und d zwischen den Magneten 30 und 31 bzw. 32 nd33 eine entsprechende Abnahme
der magneti.nchen Kräfte
K3y und K4y. Der Bewegungskörper 2 wird
somit durch das Zusammenwirken aller Kräfte wieder in seine Gleichgewichtslage zurückgetrieben.
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In gleicher Weise bewirkt eine kurzzeitige Verlagerung des Bewegungskörpers
2 relativ zu den Polschuhen 8 und 10 in der x-Richtung eine Vergrößerung der Luftspalte
a und c mit einer entsprechenden Abnahme der magnetischen Kräfte K1 und K3 und zugleich
eine Verkleinerung der Luftspalte b und d. Die magnetischen Kräfte K2 und K4 nehmen
entsprechend zu und ihre in dieser Anordnung als Führungskräfte wirkenden Kraftkomponenten
K2X und K4x wirken als rücktreibende Kräfte für den Bewegungskörper 2 und schieben
ihn in seine Gleichgewichtslage zurück. Auch eine kurzzeitige V.erlagerung des Bewegungskörpers
2 zugleich in der x- und y-Ri,htung bewirkt durch die entsprechende Änderung de
Luftspalte a bis d eine entsprechende Änderung de Kraftkomponenten, die den Bewegungskörper
wieder in seine Gleichgewichtslage verschieben.
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Die Mihrung;magnete 26 bis 33 erstrecken sich über die gesamte Länge
des Bewegungskörpers, wie es in der Seitenalsicht nach Fig. 2 angedeutet ist, in
der auch die FUlrungsmagnete 29 und 33 zum Teil sichtbar sind. Die Mlgnetkräfte
der Führungsmagnete 26 bis 33 wirken sich nicht hemmend auf die Bewegung des Bewegungskörpers
2 in seiner Bewegungsrichtung aus.
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Der Bewegungskörper 2 ist mit einem Antrieb versehen, der beispielsweise
ein ergonomischer Antrieb sein kann und als Taste 52 dargestellt ist. Durch einen
Druck auf diese Taste 42 in der durch einen nicht näher bezeichneten Pfeil angedeuteten
Richtung wird der Bewegungskörper 2 innerhalb des RUckschluB-körpers 16 nach rechts
verschoben und seine Bewegung
energie auf einen mechanischen Speicher
übertragen, der in der Figur als Feder 54 angedeutet ist. Diese Energie kann dann
zu gegebener Zeit dffinlert abgegeben werden. Der mittlere Teil des U-förmigen RUckschlußkörpers
16 dient als Kern für e:ne Induktionsspule 56, die mit zwei in der Figur n:cht näher
bezeichneten elektrischen Anschlußklemmtn versehen ist.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig se.n, das mit der Taste 52 versehene
Ende des Bewegungs :örpers mit einer weiteren Feder zu versehen, so daß ei:ie Schwingbewegung
des Bewegungskörpers 2 in axialer Richtung möglich ist.
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Von dem in Figur 1 dargestellten Teil eines Magnetkreises des Energiewandlers
erscheint in der Seitenansicht nach Figur 2 der Magnet 6 des magnetischen Bereiches,
wie er gestrichelt angedeutet ist, sowie der Polschuh 8 mit dem Steg 14 und den
Steg 20 als Fortsetzung des nicht sichtbaren Pols,huhs 10.
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Der folgende Magnetkreis besteht danr nach Figur 3 aus zwei Polschuhen
60 und 62, die sl=h jeweils zum Steg 64 bzw. 66 fortsetzen. Diese Stege 64 und 66
sind jeweils von einem Schenkel des t-förmigen Rückschlußkörpers 16 durchsetzt.
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Der Fluß des Magneten 6 im ersten magaetischenBereich des Bewegungskörpers
2 durchsetzt mit der in der Figur angenommenen Magnetisierungsrichtung den Polschuh
7, den Steg 14, den RUckschZuBkörper 16, den Steg 20 sowie den Polschuh 10. Degegen
schließt sich der magnetische Fluß des Magneten 46 des folgenden magnetischen Bereiches
nach den Figuren 2
und 3 über den Polschuh 62, den Steg 66 und
den Rückschlußkörper 16 sowie den Steg 64 und den Polschuh 60. Entsprechend verläuft
der magnetische Fluß der folgenden magnetischen Bereiche mit den Magneten 4', 48
und 49 so, daß die magnetischen Flüsse aller magnetischen Bereiche im Rückschlußkörper
16 <.ie gleiche Richtung haben.
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Mit der Bewegung des Bewegungskörpers 2 in axialer Richtung erfolgt
jeweils eine Umkehr des magnetischen Flusses in den Polschuhen und dem Rückschlußkörper
16 sobald sich die Magneten jeweils unter den Polschuhen des benachbarten magnetischen
Bereiches bewegen. Mit der Bewegung des Bewegungskörpers 2 bis zu den benachbarten
Bereichen wird somit in der Induktionsspule 56 ein entsprechender elektrischer Impuls
erzeugt. Wird der Bewegungskörper zu weiteren Bereichen bewegt, so erhält man jeweils
abwechselnd einen Impuls in der Induktionsspule 56 mit entgegengesetzter richtung;
es wird somit in der Spule eine Wechselspa mung erzeugt. In gleicher Weise erhält
man eine Wchselspannung, wenn sich der Bewegungskörper vom benachbarten Bereich
wieder zurückbewegt bzw. eine 3chwingbewegung zwischen den benachbarten Polschuher
der magnetischen Bereiche Fusrührt.
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Die als Tragkräfte dienenden Kraftkomponenten K1 und K2y und die als
Führungskräfte dienenden Kraftkomponenten in der x-Richtung sind gleich groß, wenn
der Neigungswinkel ot 45° beträgt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, für
jeweils die beiden in einer Ebene nebeneinander angeordneten Msgnetpaare g6bis 29
bzw. 30 bis 33 verschiedelle Neigungswinkel α zu wählen und dadurch die Trag-
und Führungskräfte entsprechend zu ändern. Wird beispielsweise der Neigungs-
winkel
ct für die oberen Magnetpaare 26 und 27 sowie 28 und 29 erhöht, so werden die Kraftkomponenten
K1y und K2 entsprechend vergrößert und die Führungskomponenten vermindert. Die oberen
Manetpaare bilden dann im wesentlichen ein Tragsystem für den Bewegungskörper. In
gleicher Weise können durch Verminderung des Neigungswinkels e& auch die Führungskräfte
vergrößert werden.
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Wird die Spule 56 mit solchen elektriuchen Impulsen gespeist, so wird
im Rückschlußkörper 16 ein entsprechendes magnetisches Feld erzeugt, daß sich über
die Pol schuhe und den magnetischen Bereichen schließt und sich den magnetischen
Flüssen der Magneten 6 und 46 bis 49 überlagert. Die entstehenden magnetischen Abstoßungs-
bzw. Anziehungskräfte bewirken eine entsprechende Bewegung des Bewegungskörpers
2, so daß mit einer derartigen Anordnung elektrische Energie in mechanische Energie
umgewaqdelt werden kann.
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6 Patentansprüche 3 Figuren