EP2875569A2 - Vorrichtung zur berührungslosen stromerzeugung - Google Patents

Vorrichtung zur berührungslosen stromerzeugung

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Publication number
EP2875569A2
EP2875569A2 EP13753573.8A EP13753573A EP2875569A2 EP 2875569 A2 EP2875569 A2 EP 2875569A2 EP 13753573 A EP13753573 A EP 13753573A EP 2875569 A2 EP2875569 A2 EP 2875569A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sequence
counter
magnet
coil
magnet sequence
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13753573.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Innovations Gmbh & Co. Kg Magnic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2875569A2 publication Critical patent/EP2875569A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/11—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with dynamo-electric clutches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/02—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the asynchronous induction type
    • H02K49/04—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the asynchronous induction type of the eddy-current hysteresis type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1, as can be seen from DE 26 42 682 C3.
  • This relates to an arrangement for generating auxiliary electrical energy in a generator, which is on a vehicle, in particular a magnetic levitation vehicle, in driving connection with a Magnetpolrad which is moved without contact relative to a web-stationary motor part.
  • This fixed motor part is an electrically conductive rail and in a direction of rotation freely movable Magnetpolrad is rotated during the relative movement of the vehicle relative to the rail contactless according to the principle of the induction clutch similar to a rolling wheel.
  • the rotation is transmitted in the arrangement of the prior art to a transmission and further to a separate generator for generating power.
  • the non-contact induction clutch is also a clean entrainment, in which the counter element such as the electrically conductive rail remains untouched.
  • the object of the invention is to provide a device for contactless power generation of metal counter-elements with a predetermined relative movement between the device and the counter element, which allows a better use of the induction coupling and is more compact and easier to build.
  • the device should be optimized in terms of performance with respect to different speeds, i.e. allow automatic adaptation to different speeds and thus achieve high efficiency even in different speed ranges.
  • the device - as in the induction coupling according to the prior art - do without special embodiments of the counter elements.
  • the object is achieved by a device according to claim 1.
  • the device is characterized by the fact that it is low maintenance and resistant to external influences such as water, detergents, dirt or high humidity due to lack of mechanical friction.
  • the device is by the universal mounting option in hard to reach places, especially in places where it is difficult to move an external power supply, as well as in places that are exposed to extreme external influences such as moisture or dirt, by the complete encapsulation very well Independent power supply to movable metal elements, for example for sensors, for signal transmission (radio, infrared) or suitable for the supply of lamps.
  • a possible field of use are metallic conveyor chains, especially in the food industry, since there the power supply for sensors is waterproof and hygienically safe to implement.
  • the use in or on garage or industrial doors and also in places with relative movement between metallic elements in machines or vehicles, such as gears for the collection and transmission of gear data is advantageous.
  • the device is suitable for miniaturization, so that it can be used in very small devices for power generation.
  • the magnet sequence is formed in an active position for generating at least one eddy current-based magnetic field in the conductive counter element, such that continuous continuous relative movement between the counter element and magnet sequence continuously induces opposing eddy current fields with mutually opposite magnetic fields in the counter element and thus the magnet sequence continuously is moved with the counter element.
  • the current-conducting counter element is thus briefly magnetized and magnetically magnetically coupled to the magnet sequence comprising, for example, permanent magnets or electromagnets.
  • the distance between the two parts magnet sequence and counter element is to be selected so small as the effective position that the magnetic field of the magnet sequence can induce sufficiently large eddy currents in the relative movement to the metallic counter element.
  • the distances of more than 4 mm from the counter element can be readily maintained.
  • these distances can also be set significantly lower or higher.
  • the eddy currents induced in the current-conducting counter element generate temporary magnetic fields which are required for the magnetic interlocking of the two elements counter element and magnet sequence.
  • a device operates without contact and is correspondingly quiet.
  • the magnetic coupling is also independent of a reduced by moisture, dirt, ice or lubricants friction.
  • the magnet string has a plurality of magnets and is mounted on a chain or band.
  • the magnetic fields of the magnetic sequence generated by a plurality of magnets which can virtually intermesh with one another with the eddy current-based magnetic fields of the counter element, are preferably mounted in a circumferential direction about at least one rotary element.
  • the magnet sequence may, for example, be pivotally mounted and movable against the force of a force accumulator.
  • the magnet sequence is rotatable or rotatable about at least one axis, wherein the magnets are arranged with their north / south orientation radially to the axes of rotation.
  • a regular one Structure of the magnetic fields of the magnet sequence is useful here for optimal power generation.
  • the magnetic field lines of the magnets closest to the counter element penetrate this into operative positions and induce eddy current fields therein. This in turn generates magnetic fields.
  • the magnetic field present in the direction of relative movement of the counter element then exerts a magnetic attraction force on the magnets, to which a force is thus exerted in the direction of relative movement of the counter element, resulting in a continuous rotation of the magnet sequence about its axes. Since adjacent magnets of the magnet sequence each have opposite polarities, this force is amplified by attraction or repulsion of the magnetic fields resulting from the induced by adjacent magnets eddy currents. In each case there is an attraction or repulsion of the previous magnetic field in the direction of relative movement of the counter element, so that the magnet sequence and the counter element are well coupled together to form an eddy current toothing.
  • neodymium permanent magnets can be used whose magnetic field strength is in a range above 900 kA / m. These are sufficiently strong for small dimensions.
  • flat, rectangular cuboids forming small size magnets can be placed on a chain with alternating feagnetagnetic and non-magnetic chain links.
  • An advantageous neodymium magnet has edge lengths of 20 ⁇ 10 ⁇ 5 mm in the case of a mating element with an attack surface of 20 mm in height, but can also be limited to, for example, 5 ⁇ 2 ⁇ 1 mm with a correspondingly smaller distance to the mating element.
  • Such a magnet chain or such a magnetic tape can then be tightly positioned (eg in a range of 2 mm to eg 10 mm) on the counter element in order to For example, in a metal rail eddy current-based magnetic fields and from the resulting movement of the magnetic sequence in at least one adjacent coil to generate a voltage or when the circuit is closed, a current.
  • the device according to the invention has corresponding fastening elements for this purpose.
  • This torque can be increased by supplementing each of the adjacent elements of the magnetic sequence on the counter element. If one chooses, for example, a magnet sequence with twice the number of magnets directly adjacent to the counter element, one achieves a doubling of the original torque to the magnet sequence.
  • the magnet sequence moves at slow and moderate relative speeds up to about 6 m / s thereby almost identical to the relative speed between the counter element and the magnet sequence minus a minimum slip, which depends essentially on magnetic strength and distance.
  • the speed of the magnet sequence in a saturation curve tends to a maximum value, which depends on the magnetic strength and distance.
  • the device according to the invention may be provided with a winding which is part of a generator driven by the magnet sequence.
  • the magnet sequence or its carrier band or carrier chain drives a shaft, which in turn is again equipped with magnets in order to generate a current in a generator of conventional type.
  • coil windings are mounted directly in the region of the magnets of the magnet sequence, for example between the two opposing pairs of oppositely poled strands of a magnetic tape (2) or else a magnetic strand or a magnet rotor and in which thus during movement the magnetic sequence is induced a current.
  • the coil and magnet string as a unit can be well encapsulated in a package, which is an essential feature of the invention for use under problematic external conditions.
  • Simple and effective arrangement of coils have windings which, in the case of a 360 ° sweeping winding, form a plane extending substantially perpendicular to the adjacent magnetic ring strand.
  • the device according to the invention builds up relatively small and can be arranged close to the counter element.
  • Coil internal resistances and still sufficiently high voltages without transformation losses and correspondingly high efficiencies in different speed ranges by using multiple parallel coil windings For example, 2, 4 or 8 windings of the same length and the same cross-section are wound in parallel and connected in parallel or in series depending on the applied voltage during operation. A series connection of the multiple windings thus achieves the same resistance and the same voltage values as a simple winding with overall length of the combined windings and the same cross section.
  • the parallel connection of k windings of equal cross-sectional area Q achieves the same resistance and same voltage values as a wire cross-sectional area winding k * Q.
  • the device in parallel operation, can operate effectively in a high speed range with larger currents and by switching the windings in series connection as well Act effectively in a low speed range.
  • the combination of series connections and parallel circuits of individual windings is possible to achieve a greater gradation.
  • the switching between parallel and series connection is advantageously taken over by a separate circuit, which performs different circuit settings depending on the performance (for example based on the present voltage values) and thereby only itself has a negligible power consumption. It should be noted that the individual windings are each switched so that the same orientation is maintained both in series and in parallel connection.
  • the device has an energy accumulator designed in particular as a capacitor and accumulator, the device being designed to store electrical energy during the operation of the device and for the subsequent delivery of the energy.
  • the supply of independent circuits with different dimensions is advantageous, for example, to provide a rectified and thus lossy AC voltage to supply the energy storage to increase the efficiency in a secondary circuit, while the main circuit is supplied without rectification losses with an AC voltage.
  • the additional circuit can be supplied with sufficient voltage above the forward voltage of a rectifier used in this case.
  • the power storage is hereby fed and can be used at standstill of the system for bridging the power supply over a period of time.
  • the device consisting of generator and consumer (for example, lighting element, sensor or radio transmission unit) can be completely encapsulated in a housing and thus configured to be extremely insensitive to external stresses.
  • the device according to the invention is also provided with a support unit, by which the distance of the magnet sequence to the counter element can be varied.
  • a further advantageous embodiment of the invention has a movably mounted arrangement of the carrier element of the magnet sequence within the housing, so that in relative movement between the device and counter element of that angle can be assumed with the largest possible power transmission to the magnet sequence.
  • This is done automatically in a movable arrangement of the magnet sequence, because the magnetic fields of the counter-induced eddy currents exert magnetic attraction to the magnet sequence and this is thus pulled in existing relative movement in the position with a total minimum average distance between magnets of the magnet sequence and counter element.
  • with possible displacements between the device and the counter element during operation is possible by means of the movable mounting a respectively optimally adapting positioning of the magnetic sequence to the counter element.
  • An amplification of the coupling of counter element and rotor element can be produced by arranging corresponding magnet sequences on two opposite sides of the counter element, which in turn induce a current in associated coils.
  • corresponding magnets the eddy currents induced in the counterelement can be amplified, which likewise leads to improved coupling.
  • FIG. 1 is a perspective view of a device according to the invention in a partial view
  • FIG. 2 is a perspective view of another device according to the invention in a partial view
  • FIG. 1 is a detail view of the article of FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a further detail view of the article according to FIG. 1,
  • the device according to the invention according to FIG. 1 has a counter element 1 which couples with a magnet sequence 2 rotatably mounted on two axes.
  • the counter element 1 is designed as a straight conductive metal element, for example made of aluminum.
  • the magnet sequence is mounted on a carrier 2a, which rotates around the axes of rotation 2e along a circularly rounded rectangle.
  • a rectilinear movement in the direction V1 of the counter-element 1 causes a rectified movement of the magnet 2b occupied carrier 2a in the direction V2.
  • the axes of rotation preferably run perpendicular to the direction of movement V1 of the counter element 1 and are preferably in a direction parallel to the counter element plane.
  • the magnets of the magnet sequence 2 mounted on the carrier 2a have alternating polarities 2b / 2c.
  • the magnet sequence 2 is in an active position for generating a plurality of eddy current-based magnetic fields in the counterelement 1.
  • the coils 3, which surround the magnet sequence in the form of an air-core magnet a current flow is induced upon rotation of the magnet sequence.
  • FIG. 2 shows an apparatus equivalent to FIG. 1, which is additionally completely encapsulated in a housing / box 2d to the outside, for example, against weather influences. No sensitive, moving parts are in direct contact with the environment.
  • the air coils 3 are so between the opposite strands placed opposite the magnetic sequence, that there are always opposing magnetic poles at the two sides adjacent to the magnet sequence.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a device according to the invention, wherein the magnetic carrier 2a is formed as a wheel.
  • the structure becomes smaller, but the magnetic force applied to the counter element and thus the force transmission is lower than in the arrangement in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a detailed view of a device according to the invention according to FIG. 3 with an additional circumferential air-core coil into which a current flow is induced when the magnet sequence rotates.
  • the counter element is shown lying with the direction of movement V1.
  • the magnet sequence 2 is occupied by permanent magnets 3b / 3c with alternating polarities and extends tangentially through an air gap on the counter element.
  • the magnetic field lines 4a and 4b of the magnet closest to the counter element 1 penetrate this and induce oppositely directed eddy current fields 5a and 5b with resulting magnetic fields 6a and 6b.
  • the front in the direction of movement of the counter element magnetic field 6a exerts a magnetically attractive effect and the rear magnetic field 6b in the direction of movement a magnetically repelling effect on the applied magnet, is thus exerted on the V2 in the direction of a force. This results in a rotational movement in the direction V2 of the magnet sequence 2.
  • FIGS. 6, 7, 8 and 9 show a coil 1 with two parallel winding strands 2a and 2b.
  • 6 shows the coil with two inner winding ends 1a and two outer winding ends 1b.
  • 7 shows a coil cross section of the coil 1, wherein the winding strands 2a and 2b have the same cross section and the same orientation.
  • Fig. 8 shows the parallel connection of the winding strands 2a and 2b, which in terms of resistance and voltage is equivalent to a simple winding corresponding to the cross-sectional sum area of 2a and 2b.

Abstract

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Stromerzeugung an metallischen Gegenelementen (1), insbesondere an metallischen Elementen wie beispielsweise Schienen, Toren oder Förderketten, mit mindestens einer in wechselnder Polfolge an den Gegenelementen berührungslos anliegenden bewegbaren Folge von Magneten (2), die bei einer Längsbewegung eines Gegenelements (1) gegenüber der Vorrichtung umlaufend angetrieben werden, wird zu besseren Nutzung der Induktionskupplung und im Sinn einer kompakteren und einfacheren Bauform so gestaltet, dass die Magneten (2) beim Umlauf mit zumindest einer Spule (3) zur Stromerzeugung zusammenwirken.

Description

Vorrichtung zur berührungslosen Stromerzeugung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wie sie aus der DE 26 42 682 C3 zu entnehmen ist. Diese bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen elektrischer Hilfsenergie in einem Generator, der auf einem Fahrzeug, insbesondere einem magnetischen Schwebefahrzeug, in Antriebsverbindung mit einem Magnetpolrad steht, das berührungslos relativ zu einem bahnförmi- gen ortsfesten Motorteil bewegt wird. Dieser ortsfeste Motorteil ist eine elektrische leitende Schiene und das in einem Drehsinn frei bewegliche Magnetpolrad wird bei der Relativbewegung des Fahrzeugs gegenüber der Schiene berührungslos nach dem Prinzip der Induktionskupplung ähnlich einem abrollenden Rad gedreht. Die Drehbewegung wird bei der Anordnung nach dem Stand der Technik auf ein Getriebe und weiter auf einen gesonderten Generator zur Strom- bzw. Spannungserzeugung übertragen.
Der Vorteil der berührungslosen Übertragung zwischen Magnetpolrad und einer relativ bewegten Schiene oder dgl. Gegenelement, wobei grundsätzlich statt einer ortsfesten Schiene auch ein bewegliches, relativ zur Stromerzeugungsvorrichtung längs laufendes elektrisches Teil, insbesondere Metallteil, in Betracht kommt, liegt vor allem in der Unabhängigkeit des Antriebs vom Gegenelement, der nicht auf eine Reibpaarung wie bei reibschlüssig abrollenden Mitnehmern oder eine passgenaue mechanische Kopplung wie insbesondere bei Verzahnungspaarungen angewiesen ist. Die berührungslose Induktionskupplung stellt auch eine saubere Mitnahme dar, bei der das Gegenelement wie etwa die elektrisch leitende Fahrschiene unangetastet bleibt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Bauweise der bekannten Anordnung mit einem Getriebe und einem nachgeschalteten Generator ist allerdings aufwändig und belastet auch mit den mechanischen Übertragungsverlusten die Induktionskupplung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur berührungslosen Stromerzeugung an metallischen Gegenelementen bei vorgegebener Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem Gegenelement zu schaffen, die eine bessere Nutzung der Induktionskupplung ermöglicht und kompakter und einfacher zu bauen ist. Darüber hinaus soll die Vorrichtung leistungsoptimiert bezüglich unterschiedlicher Geschwindigkeiten sein, d.h., die automatische Anpassung an unterschiedliche Geschwindigkeiten erlauben und somit auch in unterschiedlichen Geschwindigkeitsbereichen einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Insbesondere soll die Vorrichtung - wie bei der Induktionskupplung nachdem Stand der Technik - ohne besondere Ausgestaltungen der Gegenelemente auskommen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie mangels mechanischer Reibung wartungsarm und resistent gegenüber äußeren Einflüssen wie z.B. Wasser, Reinigungsmitteln, Schmutz oder hoher Luftfeuchtigkeit ist. Die Vorrichtung ist durch die universelle Montagemöglichkeit an schwer zugänglichen Stellen, insbesondere an Stellen, zu denen nur schwer eine externe Stromzufuhr zu verlegen ist, sowie an Stellen, die extremen äußeren Einflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit oder Schmutz ausgesetzt sind, durch die vollständige Kapselbarkeit sehr gut als unabhängige Stromversorgung an beweglichen Metallelementen beispielsweise für Sensoren, zur Signal- übertragung (Funk , Infrarot) oder zur Versorgung von Lampen geeignet. Ein mögliches Einsatzgebiet sind metallische Förderketten insbesondere in der Lebensmittelindustrie, da dort die Stromversorgung für Sensoren wasserfest und hygienisch unbedenklich zu realisieren ist. Darüber hinaus ist die Anwendung in oder an Garagen- oder Industrietoren und auch an Stellen mit Relativbewegung zwischen metallischen Elementen in Maschinen oder Fahrzeugen wie beispielsweise in Getrieben zur Erfassung und Übermittlung von Getriebedaten vorteilhaft. Weiterhin eignet sich die Vorrichtung zur Miniaturisierung, so dass sie auch in sehr kleinen Geräten zur Stromerzeugung verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Magnetfolge in einer Wirkposition zur Erzeugung zumindest eines wirbelstrombasierten Magnetfelds in dem leitfähigen Gegenelement ausgebildet ist, dergestalt, dass durch kontinuierliche Relativbewegung zwischen Gegenelement und Magnetfolge kontinuierlich zueinander gegenläufige Wirbelstromfelder mit zueinander gegenpoligen Magnetfeldern im Gegenelement induziert werden und so die Magnetfolge kontinuierlich mit dem Gegenelement bewegt wird.
Bei der Erfindung wird somit das stromleitende Gegenelement kurzfristig magneti- siert und magnetisch mit der Magnetfolge, umfassend beispielsweise Permanentoder Elektromagneten, magnetisch gekoppelt. Hierbei ist als Wirkposition der Abstand zwischen den beiden Teilen Magnetfolge und Gegenelement so gering auszuwählen, dass das Magnetfeld der Magnetfolge bei Relativbewegung zum metallischen Gegenelement ausreichend große Wirbelströme im diesem induzieren kann. Bei Verwendung nachbeschriebener Magneten können ohne Weiteres Abstände von mehr als 4 mm vom Gegenelement beibehalten werden. Je nach Baugröße und Magnetfeldstärke der verwendeten Magneten können diese Abstände aber auch deutlich niedriger oder größer anzusetzen sein. Die im stromleitenden Gegenelement induzierten Wirbelströme erzeugen temporäre Magnetfelder, die zur magnetischen Verzahnung der beiden Elemente Gegenelement und Magnetfolge erforderlich sind. Hierdurch werden jeweils nur punktuell Erwärmungen durch induzierte Wirbelströme im Gegenelement bewirkt, die zu einer vernachlässigbaren Aufheizung führen, insbesondere da im weiteren Verlauf der Relativbewegung zwischen beiden Elementen wieder eine Abkühlung erfolgt. Die durch Wirbelströme im Gegenelement auftretenden Wärmeverluste werden in Kauf genommen, da die Vorteile der berührungslosen Kraftübertragung mit nur temporär anliegender, jedoch kontinuierlich erfolgender Magnetverzahnung (anstelle einer aufwendigen Magnetnachrüstung) überwiegen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet berührungslos und ist dementsprechend leise. Die magnetische Kopplung ist ebenfalls unabhängig einer durch Nässe, Schmutz, Eis oder Schmierstoffe verminderten Reibung. Eine Kapselung der Magnetfolge in einem Gehäuse ist ohne Weiteres möglich, so dass die Stromerzeugung abgesehen von einzuhaltenden Maximaltemperaturen vollständig unabhängig von äußeren Einflüssen erfolgen kann.
Vorzugsweise weist die Magnetfolge eine Mehrzahl von Magneten auf und ist auf einer Kette oder einem Band angebracht. Die von mehreren Magneten erzeugten Magnetfelder der Magnetfolge, die mit den wirbelstrombasierten Magnetfeldern des Gegenelements quasi miteinander verzahnen können, sind vorzugsweise in einer Umfangsrichtung um mindestens ein Drehelement angebracht.
Die Magnetfolge kann beispielsweise schwenkbar gelagert sein und gegen die Kraft eines Kraftspeichers bewegbar sein. Vorzugsweise ist die Magnetfolge jedoch dreh- oder rotierbar um mindestens eine Achse gelagert, wobei die Magnete mit ihrer Nord/Südausrichtung radial zu den Drehachsen angeordnet sind. Ein regelmäßiger Aufbau der Magnetfelder der Magnetfolge ist hierbei für eine optimale Stromerzeugung sinnvoll. Die Magnetfeldlinien der Magneten, die am nächsten am Gegenelement anliegen, durchdringen dieses in Wirkpositionen und induzierten hierin Wirbelstromfelder. Hierdurch wiederum werden Magnetfelder erzeugt. Das in Relativbewe- gungsrichtung des Gegenelements vorliegende Magnetfeld übt dann eine magnetische Anziehkraft auf die Magneten auf, auf die somit in Relativbewegungsrichtung des Gegenelements eine Kraft ausgeübt wird, was in einer kontinuierlichen Rotation der Magnetfolge um deren Achsen resultiert. Da benachbarte Magneten der Magnetfolge jeweils entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, verstärkt sich diese Kraft durch Anziehung bzw. Abstoßung der Magnetfelder, die aus den durch benachbarte Magnete induzierten Wirbelströmen resultieren. Es erfolgt jeweils eine Anziehung bzw. Abstoßung des vorhergehenden Magnetfeldes in Relativbewegungsrichtung des Gegenelements, so dass Magnetfolge und Gegenelement unter Ausbildung einer Wirbelstromverzahnung gut miteinander gekoppelt sind.
Vorzugsweise können Neodym-Permanentmagnete verwendet werden, deren magnetische Feldstärke in einem Bereich oberhalb von 900 kA/m liegt. Diese sind bei kleinen Abmessungen ausreichend stark. Es können beispielsweise flache, rechteckige Quader bildende Magnete geringer Größe auf eine Kette mit alternierend fe- romagnetischen und nicht magnetischen Kettengliedern aufgesetzt werden. Ein vorteilhafter Neodym-Magnet weist bei einem Gegenelement mit einer Angriffsfläche von 20 mm Höhe Kantenlängen von 20 x 10 x 5 mm auf lässt sich für kleinere Anwendungen aber auch auf beispielsweise 5 x 2 x 1 mm mit entsprechend kleinerem Abstand zum Gegenelement begrenzen.
Eine solche Magnetkette bzw. ein solches Magnetband kann dann dicht (z.B. in einem Bereich von 2 mm bis z.B. 10 mm) am Gegenelement positioniert werden, um beispielsweise in einer Metallschiene wirbelstrombasierte Magnetfelder und aus der daraus resultierenden Bewegung der Magnetfolge in mindestens einer anliegenden Spule eine Spannung bzw. bei geschlossenem Stromkreis einen Strom zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hierfür entsprechende Befestigungselemente auf.
Im Gegensatz zu im Stand der Technik bekannten Generatoren, bei denen unterbrochene Drehmomente basierend auf magnetischer Anziehung von zusätzlich am Gegenelement anzubringenden unterbrochenen Metallelementen oder Magneten wirken, wird bei der Erfindung bei Relativbewegung zum Gegenelement ein kontinuierliches Drehmoment auf die Magnetfolge ausgeübt. Neben der einfacheren Bauweise werden deutlich höhere Drehmomente mit entsprechend größerer Stromausbeute erreicht.
Dieses Drehmoment lässt sich durch Ergänzung der jeweils am Gegenelement anliegenden Elemente der Magnetfolge erhöhen. Wählt man beispielsweise eine Magnetfolge mit doppelter direkt am Gegenelement anliegender Magnetanzahl, erreicht man etwa eine Verdoppelung des ursprünglichen Drehmoments auf die Magnetfolge.
Die Magnetfolge bewegt sich bei langsamen und mittleren Relativgeschwindigkeiten bis etwa 6 m/s dabei nahezu identisch zur Relativgeschwindigkeit zwischen Gegenelement und Magnetfolge abzüglich eines minimalen Schlupfes, der im wesentlichen von Magnetstärke und Abstand abhängt. Bei größerer Relativgeschwindigkeit strebt die Geschwindigkeit der Magnetfolge in einer Sättigungskurve einem Maximalwert entgegen, der von Magnetstärke und Abstand abhängt. ln einer Ausbildung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Wicklung versehen sein, die Teil eines von der Magnetfolge angetriebenen Generators ist. Hierbei treibt die Magnetfolge bzw. deren Trägerband oder Trägerkette eine Welle an, die ihrerseits wieder mit Magneten bestückt ist, um in einem Generator herkömmlicher Art einen Strom zu erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausbildung der Erfindung, bei der Spulenwicklungen direkt im Bereich der Magneten der Magnetfolge, beispielsweise zwischen den zwei gegenläufigen jeweils paarweise gegenpoligen Strängen eines Magnetbandes (2) oder auch einen Magnetstrang oder einen Magnetrotor umschließend angebracht sind und in welche somit bei Bewegung der Magnetfolge ein Strom induziert wird. Auf diese Weise werden mechanische Lagerverluste wie bei der Versorgung eines externen Generator vermieden, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Außerdem lassen sich Wicklung und Magnetfolge als eine Einheit gut in einem Gehäuse kapseln, was eine wesentliche Eigenschaft der Erfindung bzgl. der Nutzung unter problematischen äußeren Bedingungen ist.
Einfache und wirkungsvolle Anordnung von Spulen weisen Wicklungen auf, die bei einer 360° überstreichenden Wicklung eine im Wesentlichen senkrecht zum anliegenden Magnetringstrang verlaufende Ebene ausbilden. Hierdurch baut die erfindungsgemäße Vorrichtung relativ klein auf und kann dicht am Gegenelement angeordnet werden.
Verwendet man eine oder mehrere Spulen mit einfacher Wicklung, so wird mit zunehmender Drehfrequenz der Magnetfolge auch eine höhere Spannung induziert. Gleichzeitig steigt damit auch der Eigenwiderstand der Spule an, so dass der Wirkungsgrad der Vorrichtung infolge von Wärmeverlusten in der Spule sinkt. Je größer der Querschnitt des Wicklungsdrahtes gewählt wird, desto niedriger ist der Eigenwiderstand der Spule und damit verbunden ein höherer Wirkungsgrad. Allerdings bewirkt ein zu großer Querschnitt gleichzeitig eine sehr niedrige Spannung, so dass die Spannung zur Verwertbarkeit (wie speispielsweise zur Beleuchtung mittels Leuchtdioden) erst noch verlustbehaftet höher transformiert werden müsste. Daher verwendet man im Regelfall Spulen mit mittleren Drahtquerschnitten wenn man Verluste bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten in Kauf nehmen kann. Eine erfindungsgemäße leistungsoptimierte Ausbildung der Erfindung erreicht niedrige
Spuleninnenwiderstände und noch ausreichend hohe Spannungen ohne Transformationsverluste und entsprechend hohe Wirkungsgrade in unterschiedlichen Geschwindigkeitsbereichen, indem mehrfache parallele Spulenwicklungen verwendet werden. Beispielsweise werden 2, 4 oder 8 Wicklungen gleicher Länge und gleichen Querschnittes parallel gewickelt und im Betrieb abhängig von der anliegenden Spannung parallel oder in Reihe geschaltet. Eine Reihenschaltung der Mehrfachwicklungen erzielt somit den gleichen Widerstand und die gleichen Spannungswerte wie eine einfache Wicklung mit Gesamtlänge der kombinierten Wicklungen und gleichem Querschnitt. Die Parallelschaltung von k Wicklungen gleicher Querschnittsfläche Q erzielt den gleichen Widerstand und die selben Spannungswerte wie eine Wicklung mit Drahtquerschnittsfläche k*Q. Somit kann die Vorrichtung im Betrieb mit Parallelschaltung effektiv in einem hohen Geschwindigkeitsbereich mit größeren Strömen arbeiten und durch Umschalten der Wicklungen in Reihenschaltung ebenso effektiv in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich wirken. Auch die Kombination von Reihenschaltungen und Parallelschaltungen einzelner Wicklungen ist zum Erreichen einer größeren Abstufung möglich. Die Umschaltung zwischen Parallel- und Reihenschaltung wird vorteilhafterweise von einer separaten Schaltung übernommen, die leistungsabhängig unterschiedliche Schaltungseinstellungen vornimmt (beispielsweise anhand der vorliegenden Spannungswerte) und dabei selbst nur einen unwesentlichen Stromverbrauch aufweist. Hierbei ist zu beachten, dass die einzelnen Wicklungen jeweils so geschaltet sind, dass sowohl bei Reihen als auch bei Parallelschaltung gleiche Orientierung erhalten bleibt.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Vorrichtung einen insbesondere als Kondensator und Akkumulator ausgebildeten Energiespeicher auf, wobei die Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie während des Betriebs der Vorrichtung und zur nachfolgenden Abgabe der Energie ausgebildet ist.
Wird ein Energiespeicher verwendet, so ist die Versorgung unabhängiger Stromkreisläufe mit unterschiedlichen Dimensionierungen vorteilhaft, beispielsweise um zur Steigerung des Wirkungsgrades in einem Nebenstromkreis eine gleichgerichtete und damit verlustbehaftete Wechselspannung zur Versorgung des Energiespeichers zu liefern, während der Hauptstromkreis ohne Gleichrichtungsverluste mit einer Wechselspannung versorgt wird. Durch eine Zusatzwicklung mit kleinem Leiter- bahnquerschnitt, die vorzugsweise nah an der Magnetfolge angeordnet ist, lässt sich hierbei der zusätzliche Stromkreis mit ausreichender Spannung oberhalb der Durchlassspannung eines verwendeten Gleichrichters versorgen. Vorzugsweise wird hiermit der Stromspeicher gespeist und kann bei Stillstand des Systems zur Überbrückung der Stromversorgung über einen gewissen Zeitraum verwendet werden.
Insbesondere kann die Vorrichtung bestehend aus Generator und Verbraucher (beispielsweise Leuchtelement, Sensor oder Funkübertragungseinheit) vollständig in einem Gehäuse gekapselt werden und somit extrem unanfällig gegenüber äußeren Beanspruchungen ausgestaltet werden. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit einer Trageinheit versehen, durch die der Abstand der Magnetfolge zum Gegenelement variierbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weist eine beweglich gelagerte Anordnung des Trägerelements der Magnetfolge innerhalb des Gehäuses auf, so dass bei Relativbewegung zwischen Vorrichtung und Gegenelement derjenige Winkel mit der größtmöglichen Kraftübertragung auf die Magnetfolge angenommen werden kann. Dieses geschieht bei beweglicher Anordnung der Magnetfolge deshalb automatisch, weil die Magnetfelder der im Gegenelement induzierten Wirbelströme magnetische Anziehung auf die Magnetfolge ausüben und diese somit bei vorhandener Relativbewegung in die Position mit insgesamt minimalem mittleren Abstand zwischen Magneten der Magnetfolge und Gegenelement gezogen wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine zur größtmöglichen Kraftübertragung optimale Position der Magnetfolge zu erhalten, ohne dass das Gehäuse der Vorrichtung genau zu justieren ist. Insbesondere bei möglichen Verschiebungen zwischen Vorrichtung und Gegenelement im laufenden Betrieb wird mittels der beweglichen Lagerung eine sich jeweils optimal anpassende Positionierung der Magnetfolge zum Gegenelement ermöglicht.
Eine Verstärkung der Kopplung von Gegenelement und Rotorelement kann dadurch erzeugt werden, dass an zwei gegenüberliegenden Seiten des Gegenelements entsprechende Magnetfolgen angeordnet sind, die wiederum einen Strom in zugehörigen Spulen induzieren. Hierdurch können bei entsprechenden Magneten die im Gegenelement induzierten Wirbelströme verstärkt werden, was ebenfalls zu einer verbesserten Kopplung führt.
Die vor- und nachbeschriebenen Ausführungsbeispiele stellen eine Verbesserung gegenüber bislang bekannten Vorrichtungen wie Reibradgeneratoren dar, da sie eine berührungslose (somit geräuschslose), wetterunabhängige, reibungsarme (und somit energieeffiziente) leistungsoptimierte Energieversorgung mit hoher Kraftübertragung ohne im oder am Gegenelement anzubringende Zusatzkomponenten gewährleisten.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen. In den schematischen Abbildungen der Figuren zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Teilansicht,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Teilansicht,
Fig. 2 eine Detailansicht des Gegenstands nach Fig. 1 ,
Fig. 3 einen weiteren erfindungsgemäßen Gegenstand in einer Teilansicht,
Fig. 4 eine weitere Detailansicht des Gegenstands nach Fig. 1 ,
Fig. 5 eine Veranschaulichung des zugrunde liegenden Erfindungsgedankens,
Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 8 einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 9 einen weiteren Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Gleich oder ähnlich wirkende Teile sind - sofern dienlich - mit identischen Bezugsziffern versehen. Einzelne technische Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch mit den Merkmalen der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele zu erfindungsgemäßen Weiterbildungen führen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1 weist ein Gegenelement 1 auf, welches mit einer auf zwei Achsen drehbar gelagerten Magnetfolge 2 koppelt. Im Beispiel ist das Gegenelement 1 als gerades leitfähiges Metallelement ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium. Die Magnetfolge ist auf einem Träger 2a angebracht, der die Drehachsen 2e entlang eines kreisförmig gerundeten Rechtecks drehbar gelagert umläuft. Eine geradlinige Bewegung in Richtung V1 des Gegenelements 1 bewirkt eine gleichgerichtete Bewegung des mit Magneten 2b besetzten Trägers 2a in Richtung V2. Die Drehachsen verlaufen vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung V1 des Gegenelements 1 und liegen vorzugsweise in einer zum Gegenelement parallel verlaufenden Ebene. Die auf dem Träger 2a angebrachten Magneten der Magnetfolge 2 weisen alternierende Polungen 2b/2c auf. Die Magnetfolge 2 befindet sich in einer Wirkposition zur Erzeugung einer Mehrzahl von wirbelstromba- sierten Magnetfeldern in dem Gegenelement 1. In den Spulen 3, die in Form einer Luftspule durchlaufende Magneten der Magnetfolge umgeben, wird bei Rotation der Magnetfolge ein Stromfluss induziert.
Fig. 2 zeigt eine zu Fig.1 äquivalente Vorrichtung, die zusätzlich in einem Gehäuse/einer Box 2d vollständig nach außen beispielsweise gegen Witterungsein- flüsse gekapselt ist. Keine empfindlichen, beweglichen Teile stehen im direkten Kontakt mit der Umgebung. Die Luftspulen 3 sind so zwischen den gegenläufigen Strän- gen der Magnetfolge platziert, dass immer gegensätzliche Magnetpolungen an den beiden an der Magnetfolge anliegenden Seiten vorliegen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Magnetträger 2a als Rad ausgebildet ist. Dadurch wird der Aufbau kleiner aber die am Gegenelement anliegende Magnetkraft und somit die Kraftübertragung ist geringer als bei der Anordnung in Figur 1.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Fig.3 mit zusätzlich eingezeichneter umlaufender Luftspule, in die bei Rotation der Magnetfolge ein Stromfluss induziert wird.
In der Prinzipskizze nach Fig. 5 ist das Gegenelement liegend mit Bewegungsrichtung V1 dargestellt. Die Magnetfolge 2 ist mit Permanentmagneten 3b/3c mit abwechselnden Polaritäten besetzt und verläuft über einen Luftspalt tangential am Gegenelement. Die Magnetfeldlinien 4a und 4b des Magneten, der am nächsten an dem Gegenelement 1 anliegt, durchdringen dieses und induzieren gegensätzlich verlaufende Wirbelstromfelder 5a und 5b mit resultierenden Magnetfeldern 6a und 6b. Das in Bewegungsrichtung des Gegenelements vorne liegende Magnetfeld 6a übt eine magnetisch anziehende Wirkung und das in Bewegungsrichtung hintere Magnetfeld 6b eine magnetisch abstoßende Wirkung auf den anliegenden Magneten aus, auf den somit in Richtung V2 eine Kraft ausgeübt wird. Dies resultiert in einer Drehbewegung in Richtung V2 der Magnetfolge 2. Diese wird noch dadurch verstärkt, dass die benachbarten Magneten entgegengesetzte Polaritäten aufweisen und ebenfalls entsprechend in Drehrichtung abgestoßen bzw. angezogen werden. ln Fig.6 , Fig.7, Fig.8 und Fig.9 wird eine Spule 1 mit zwei parallelen Wicklungssträngen 2a und 2b gezeigt. Fig.6 zeigt die Spule mit je zwei innenliegenden Wicklungsenden 1a und zwei außenliegenden Wicklungsenden 1b. Fig.7 zeigt einen Spulenquerschnitt der Spule 1 , wobei die Wicklungsstränge 2a und 2b gleichen Querschnitt und gleiche Orientierung aufweisen. Fig. 8 zeigt die Parallelschaltung der Wicklungsstränge 2a und 2b, die bezüglich Widerstand und Spannung gleichzusetzen mit einer einfachen Wicklung entsprechend der Querschnittssummenfläche von 2a und 2b ist. Fig.9 zeigt die Reihenschaltung der Wicklungsstränge 2a und 2b, wobei das innenliegende Wicklungsende von 2b mit dem außenliegenden Wicklungsende von 2a verbunden ist. Auf diese Weise bleibt die Orientierung innerhalb der Spule 1 für beide Wicklungsstränge identisch und es wird ein höherer Spannungswert bei höherem Spuleninnenwiderstand als bei der Parallelschaltung erzielt. Die Reihenschaltung eignet sich somit für niedrigere Geschwindigkeiten, wo höhere Spannungen erforderlich sind, während die Parallelschaltung in Fig.8 bei höheren Geschwindigkeiten zwischen Gegenelement und Magnetfolge aufgrund des geringeren Spuleninnenwiderstands effektiver ist. Die Umschaltung zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung kann extern von Hand oder über eine gesonderte Steuerung vorgesehen werden, wenn die Spulenanschlüsse gesondert nach außen geführt sind, die Umschaltung kann aber auch, etwa durch eine Überwachung der Ausgangsspannung gesteuert, über eine interne Schalteinrichtung selbsttätig erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur berührungslosen Stromerzeugung an metallischen Gegenelementen (1), insbesondere an metallischen Elementen wie beispielsweise Schienen, Toren oder Förderketten, mit mindestens einer in wechselnder Polfolge an den Gegenelementen berührungslos anliegenden bewegbaren Folge von Magneten (2), die bei einer Längsbewegung eines Gegenelements (1) gegenüber der Vorrichtung umlaufend angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (2) beim Umlauf mit zumindest einer Spule (3) zur Stromerzeugung zusammenwirken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Gegenelement Teil eines Getriebes ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Gegenelement eine metallische Förderkette oder ein in Schienen verlaufendes Tor ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfolge (2) auf einem rotierenden Band angebracht ist, derart dass eine Seite des Bandes dem Gegenelement zugewandt ist und somit gleichzeitig mehrere Magneten der Magnetfolge dem Gegenelement anliegen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüchel bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfolge (2) auf einem Rotor angebracht ist, derart dass jeweils nur ein Magnet dem Gegenelement (1) anliegt.
6 Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule (3) von der Magnetfolge (2) durchlaufen wird und hierbei ein Strom in die Spule induziert wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüchel bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule (3) zwischen den Strängen der Magnetfolge (2) liegt, derart dass jeweils gegensätzliche Polaritäten an den zwei der Magnetfolge anliegenden Spulenseiten vorliegen.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spule (3) mehrere parallele Wicklungen aufweist, die zur Leistungsoptimierung bei niedrigen Geschwindigkeiten in Reihenschaltung (bzw. paarweiser Reihenschaltung) und bei höheren Geschwindigkeiten in Parallelschaltung (bzw. paarweiser Parallelschaltung) betrieben werden.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Spule mit mindestens einer zusätzlichen äußeren Wicklung zur Versorgung eines separaten Stromkreises beispielsweise zur Versorgung eines Energiespeichers verwendet wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüchel bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfolge (2) zum Antrieb eines Generators herkömmlicher Art zur Stromerzeugung verwendet wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfolge (2) beweglich gelagert ist, derart, dass durch im Betrieb auf- tretende Magnetkräfte automatisch derjenige Winkel zum Gegenelement (1) mit der größtmöglichen Kraftübertragung auf die Magnetfolge angenommen werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem erzeugten Strom ein Sensor, eine Funkübertragung, ein Datenspeicher oder eine Beleuchtungseinheit versorgt wird.
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