EP2918006A2 - Induktionsgenerator und verfahren zum generieren eines elektrischen stroms unter verwendung eines induktionsgenerators - Google Patents

Induktionsgenerator und verfahren zum generieren eines elektrischen stroms unter verwendung eines induktionsgenerators

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Publication number
EP2918006A2
EP2918006A2 EP13783560.9A EP13783560A EP2918006A2 EP 2918006 A2 EP2918006 A2 EP 2918006A2 EP 13783560 A EP13783560 A EP 13783560A EP 2918006 A2 EP2918006 A2 EP 2918006A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
air gap
induction generator
permanent magnet
magnetic field
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13783560.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Ruff
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.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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 ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP2918006A2 publication Critical patent/EP2918006A2/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/04—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving coil systems and stationary magnets

Definitions

  • the present invention relates to an induction generator and a method for generating an electric current using an induction generator.
  • DE 101 12 072 A1 discloses a switching element with an actuating member, which is in operative connection via a lever arrangement with an energy converter of the switching element, that the movement of the actuating member is transferable to the energy converter.
  • the energy converter converts at least a portion of the mechanical energy used to actuate the actuator into electrical energy.
  • the present invention provides an improved induction generator and method for generating an electric current according to the main claims.
  • Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.
  • the electrical energy is calculated from the following ratios:
  • the inventive concept presented herein is based on the recognition that an efficiency of an induction generator can be increased considerably if, for the energy conversion, the coil of the generator is moved instead of the much heavier magnet system.
  • the electrical energy of a generator is calculated as follows:
  • the efficiency in the electromagnetic energy conversion can be significantly improved by refraining from accelerating a relatively heavy element of the iron circuit, so the magnetic element or magnetic core as fast as possible on a short path and decelerate as quickly as possible at the end of the cycle ,
  • An induction generator designed in accordance with embodiments of this invention does not require a gearbox that reduces efficiency and has no complex mechanical structure, but combines all the criteria that make up an optimal electromechanical energy converter, especially for standalone radio systems. These include a small space, a high energy density, high efficiency, a short activation path, a low activation force, low noise, the most constant energy quantity, a function independent of the operating speed, robustness to temperature changes, mechanical robustness and low production costs.
  • the approach described meets the increasing demand for self-sufficient radio systems that are capable of implementing complex radio protocols such as KNX-RF, ZigBe, Bluetooth low energy or W-LAN with high transmission power and several repetitions. This is only possible with extremely powerful generators (0.7 to 2 mWs). A simple enlargement of known energy converters is not expedient because the usability of such systems due to the continued increasing operating forces and dimensions and the increased noise is excluded or greatly impeded.
  • the induction generator described below can be used for those applications in which a small amount of energy is required for a small size.
  • An induction generator comprising at least one permanent magnet for generating a permanent magnetic field, at least one reflux plate for guiding the permanent magnetic field, a coil and a spring element, the permanent magnet and at least a portion of the reflux plate being replaced by one of the permanent magnets.
  • Magnetically permeated air gap are separated from each other, and wherein the coil is connected to the spring element and at least a portion of the coil is movably disposed in the air gap, characterized in that the spring element is formed in response to a deflection of the coil an oscillatory movement of at least the To cause portion of the coil in the air gap transverse to a magnetic flux of the permanent magnetic field within the air gap.
  • the induction generator or electric generator is a device which is designed to generate electric current or electrical voltage by means of electromagnetic induction.
  • Such induction generator for example, in connection with a self-sufficient radio switch, the z. B. is used to turn on and off a lighting device used.
  • the at least one permanent magnet or permanent magnet can, for. Example, iron, cobalt, nickel or ferrite or an alloy of a plurality of these metals and be formed to form a static magnetic field, the permanent magnetic field.
  • the permanent magnet may be integrally formed and have opposite poles on opposite sides, a south pole and a north pole.
  • the permanent magnet may have pole pieces of high permeability material on the opposite sides.
  • one pole piece can form the north pole and the other pole piece can form the south pole.
  • the magnetic flux generated by the permanent magnet can be guided and distributed in a defined manner.
  • the permanent magnet may be multi-piece and z. B. composed of at least two or more permanent magnet elements.
  • such two permanent magnet elements may be connected to one another via a common connection plate.
  • the two permanent magnet elements may rest on the connecting plate at a distance such that the north pole of one permanent magnet element and the south pole of the other permanent magnet element are mounted on a surface of the connecting plate. and accordingly the entire ensemble forms a u-shaped permanent magnet.
  • the pole faces of the U-shaped permanent magnet may lie in one plane and the oscillatory motion may be parallel to this plane.
  • the connection plate may be formed as a flat rectangular plate to guide the magnetic flux optimally between the individual permanent magnet elements.
  • the reflux plate may be similar or identical to the connection plate material, structure and dimensions and used to provide an annular course of magnetic flux.
  • the permanent magnet and the reflux plate may be arranged opposite each other, wherein z. B. the return plate and the connecting plate of the two permanent magnet elements form a top or bottom of a magnet system thus formed. Based on the annular magnetic flux generated by the structure of the magnet system, the permanent magnetic field in the air gap may have two oppositely directed magnetic flux currents.
  • the coil may comprise a winding of one or a plurality of wires, e.g. Example of copper, and be connected to the spring element, that it is mounted according to an embodiment parallel to the winding plane and according to another embodiment about an axis of rotation extending in the winding axis deflectable in the at least one air gap.
  • the deflection of the coil can be effected by a deflection means of the induction generator to abut the oscillation movement of the coil made possible by the spring element.
  • the oscillatory motion may be a damped vibration whose intensity decreases and eventually fades over time, depending on a specific structure and / or spring force of the spring element.
  • an alternating electrical current can be induced in the winding of the coil.
  • One or more spring elements can be used, which carry the coil and can enable the oscillation movement of the coil.
  • a spring element may be a suitably designed spring, for example a spiral spring, torsion spring, tension spring or compression spring.
  • the permanent magnet, the reflux plate and one end of the spring element may be fixedly secured to a support structure of the induction generator.
  • This embodiment has the advantage that in particular the relatively heavy elements of the magnet system can be used statically to generate electricity, whereby the noise can be minimized and the life of the induction generator can be extended. Likewise, a size of the induction generator can be smaller, since the support structure must withstand no stress due to an acceleration of the heavy magnets.
  • the support structure may be a housing or part of a housing of the induction generator.
  • the coil can be mounted by the spring element movable relative to the support structure and thus with respect to the permanent magnetic field.
  • the permanent magnet and the reflux plate may be separated from each other by the air gap. There can thus be no point of contact between the permanent magnet and the reflux plate.
  • the coil may be movably arranged in the air gap. The entire coil can be inside the air gap.
  • the spring element may be configured to cause the oscillatory movement of the coil in the air gap transverse to the magnetic flux of the permanent magnetic field within the air gap in response to the deflection of the coil.
  • the oscillatory motion may comprise opposing linear movements of the coil.
  • the induction generator may be configured such that the permanent magnetic field forms a magnetic field circuit whose magnetic flux flows from a first pole of the permanent magnet through a first portion of the air gap, through the reflux plate and through a second portion of the air gap to a second pole of the permanent magnet.
  • a first winding half of the coil can be arranged in the first section of the air gap and a second winding half of the coil can be arranged in the second section of the air gap.
  • the winding halves may be disposed on opposite sides of the coil. So can be advantageously ensured that both winding halves of the coil a maximai strong magnetic effect are exposed. Accordingly, high efficiency in power generation can be achieved with simple means.
  • a central axis of the coil may be parallel or approximately parallel to the magnetic flux through the first portion and the second portion of the air gap.
  • the winding of the coil extends around the central axis of the coil so that the central axis can be oriented orthogonal to a winding winding plane comprising the winding.
  • the induction generator may include a first permanent magnet for generating a first magnetic flux current of the permanent magnetic field, a first return plate for guiding the first magnetic flux current, a second permanent magnet for generating a second magnetic flux current of the permanent magnetic field, and a second reflux plate for guiding the second magnetic flux.
  • the first magnetic flux current in a first magnetic field circuit can flow from a first pole of the first permanent magnet through a first section of the air gap and through the first return plate to a second pole of the first permanent magnet and the second magnetic flux current in a second magnetic field circle from a first pole of the second permanent magnet through the second reflux plate and through a second portion of the air gap to a second pole of the second permanent magnet.
  • first winding half of the coil can be arranged in the first section of the air gap and a second winding half of the coil can be arranged in the second section of the air gap.
  • first return plate and the second return plate may each be U-shaped bent, wherein the respective permanent magnet rests on an inner side of a leg of the U-shaped reflux plate and is considered by an inner side of the other leg. It can thus be achieved that both magnetic flux streams in turn flow annularly in the respective magnet system.
  • this embodiment has a particularly simple way of encapsulating the induction generator with desirable dust and / or water resistance, since the U-shaped return plates almost completely protectively surrounds the sensitive coil-spring system and only a gap between the first and the second return plate needs to be closed.
  • the at least one permanent magnet may be arranged inside the coil.
  • the coil can be arranged movable relative to the permanent magnet.
  • the coil may be rotatably mounted about an axis of rotation extending through a winding plane of the coil to perform the oscillatory movement can. In this case, small deflections of the coil may be sufficient to generate sufficient electrical energy can.
  • a first return plate adjoining a first pole section of the permanent magnet and a second return plate adjoining a second pole section of the permanent magnet may be provided.
  • the pole sections may be realized by pole shoes or by end sections of the permanent magnet.
  • the first return plate may have a first angled portion extending along a first longitudinal side of the permanent magnet and the second return plate may have a second angled portion extending along a second longitudinal side of the permanent magnet opposite the first longitudinal side.
  • the longitudinal sides can run parallel to a central axis of the permanent magnet running between the pole sections.
  • a first air gap may be between the permanent magnet and the first angled portion and a second air gap may be located between the permanent magnet and the second angled portion.
  • the spring element of the induction generator may comprise a first flat spiral spring and a second flat spiral spring, between which the coil may be oscillated in the air gap.
  • Flat spiral springs can be used cost-effectively and compactly in order to ensure suitable oscillation of the coil.
  • a so-called spring parallelogram can be formed, with which the coil can be set in a particularly uniform and long-lasting oscillation. An efficiency of the induction generator can thus be further increased.
  • the spring element may represent an electrical conductor for electrically contacting the coil.
  • a portion of the spring element may comprise a contact element for current decrease of an alternating current provided by the oscillating movement of the coil.
  • the spring element can be used to conduct the electrical current induced in the coil, for example between the coil and an electrical load.
  • two mutually electrically insulated spring elements can be used, via which the coil can be both electrically contacted and movably mounted relative to a support structure of the induction generator.
  • electrical connections of the coil can be contacted electrically via two flat-flexion springs, the flat-flexion springs being electrically insulated from one another.
  • the coil of the induction generator may be formed without a core.
  • the coil can be carried out with a very low weight. This results in the advantages that the coil can be very quickly vibrated against a low resistance from a rest position and the vibration itself can have a very high frequency. Also in this way the efficiency of the induction generator can be improved.
  • the coil can be enclosed by a coil holder.
  • the coil socket can be connected to a further end of the spring element lying opposite the end of the spring element fixed to the support structure.
  • a spring force of the spring element via the coil holder loss and evenly transmitted to the coil.
  • this embodiment enables a simple implementation of a forwarding of the electrical current generated in the winding of the coil to the spring element, for example for the current output via a contact integrated in the spring element.
  • the coil socket can have two extensions, into which one end of a flat spiral spring can engage, in order to hold the coil socket.
  • the coil socket can have an actuating element for deflecting the coil.
  • the actuator may, for example, be in the form of an actuating tongue and arranged to be easily reached by an actuator and to deflect the coil from its rest position in one of two opposite directions. After a release of the actuating element, the oscillation movement of the coil can begin.
  • the induction generator may include detection means for detecting an initial polarity of an AC voltage provided from the coil due to the oscillation movement.
  • the initial polarity is dependent on an initial direction of the oscillation following the deflection, and thus on a direction of the deflection of the coil.
  • the detection means may be configured to detect an initial direction of an AC current provided from the coil due to the oscillation movement.
  • it can be determined, for example, in which of the two opposite directions the coil has been deflected in preparation for the oscillatory movement by means of the actuating element.
  • it can be detected in which direction an actuating element of the induction generator moves has been.
  • a distinction between a switch-on and a switch-off may be detecting an initial polarity of an AC voltage provided from the coil due to the oscillation movement.
  • the initial polarity is dependent on an initial direction of the oscillation following the deflection, and thus on a direction of the deflection of the coil.
  • the detection means may be configured to detect an initial direction
  • the present invention further provides a method for generating an electric current using an induction generator having at least one permanent magnet for generating a permanent magnetic field, at least one reflux plate for guiding the permanent magnetic field, a coil and a spring element, wherein the permanent magnet and at least a portion of the reflux plate by a Air gap penetrated by the permanent magnetic field are separated from each other, and wherein the coil is connected to the spring element and at least a portion of the coil is movably arranged in the air gap, the method comprising the following steps:
  • Fig. 1A is a plan view of an induction generator according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1B is a cross-sectional view of the induction generator of Fig. 1A;
  • FIG. 1 C the induction generator of Fig. 1 A in a perspective
  • FIG. 2A is a plan view of an induction generator according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 2B is a cross-sectional view of the induction generator of Fig. 2A;
  • 3A is a plan view of an induction generator according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 3B is a cross-sectional view of the induction generator of Fig. 3A;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an induction generator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method for generating a
  • Fig. 6 is a plan view of an induction generator according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 is a cross-sectional view of the induction generator of Fig. 6;
  • Fig. 8 is a further cross-sectional view of the induction generator
  • FIG. 10 is an exploded view of the induction generator of FIG. 6; FIG.
  • 1 1 is a representation of the induction generator of FIG. 10th
  • FIG. 1A shows in plan view an induction generator 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is a support structure 102, a spring element 104, a reflux plate 106, a coil 108 in a coil socket 1 10 and two current collector 1 12th
  • the spring element 104 is composed of a first flat bending spring 1 14 and a second flat spiral spring 1 1 6, each of which laterally of the coil 108 and the reflux plate 106 are parallel.
  • the coil 108 is formed as a flat rectangular winding, which is only partially visible in the illustration in FIG. 1, since it is covered by the reflux plate 106.
  • One end 1 18 of the spring element 104 formed by the flat-flexion springs 1 14, 1 1 6 is fixed to the support structure 102, and another end 120 engages in two extensions 122 of the coil holder 1 10 carrying the coil 108.
  • the coil 108 is connected only indirectly via the spring element 104 with the support structure 102 and by means of the spring element 104 movable or oscillating in the induction generator 100 stored.
  • the coil 108 can be deflected and vibrated with the assistance of the spring element 104 in a magnetic field of a magnet system of the induction generator 100 which is not visible in the illustration in FIG. Force to generate an electrical current flow in the winding of the coil 108.
  • a portion of the over the coil socket 1 10 coupled to the coil 108 spring member 104 forms a contact element 126, via which the electrical current induced in the coil 108 to flow to the contact element 126 connected to the current collector 1 12 and can be tapped there.
  • the current collector 1 12, the reflux plate 106 are arranged partially overlapping.
  • the induction generator 100 can be fastened to an object, for example a wall.
  • suitable fixing elements such as screws can be used.
  • the oscillation of the coil 108 this moves, while the support structure 102, the Magnetsys- and the magnetic circuit caused by the magnetic system are at rest.
  • the coil 108 will move during the oscillation while the support structure 102, the magnet system and the object are at rest.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the induction generator 100 of FIG. 1A along a line B-B in FIG. 1A according to an embodiment of the present invention.
  • the magnet system 128 is composed of the reflux plate 106 and a permanent magnet 130 lying opposite thereto.
  • the permanent magnet 130 is here formed by a first permanent magnet element 132, a second permanent magnet element 134, and a connecting plate 136 coupling the first permanent magnet element 132 to the second permanent magnet element 134.
  • the first permanent magnet element 132 is contacted with its north pole and the second permanent magnet element 134 with its south pole with the metallic connecting plate 136, so that the entire ensemble forms a U-shaped permanent magnet 130, in which the first permanent magnet element 132, the first pole, the second permanent magnet element 134 second pole and the connecting plate 136 forms the yoke.
  • the magnetic system 128 forms a permanent magnetic field 138 indicated by a plurality of arrows. In the illustration in FIG. 1B, a magnetic flux of the permanent magnetic field 138 flows counterclockwise.
  • the coil 108 is movably mounted in the permanent magnet field 138 by means of the first flat bending spring 14 and the second flat spiral spring 11, so that they are deflected by the actuating element in a horizontal arrow can oscillate in the representation in Fig. 1B marked relative movement 142.
  • the magnet system 128 is of static construction. It consists essentially of the two permanent magnet elements 132, 134, which are magnetically coupled on one side with the remindbloteisen or the connecting plate 136 without an air gap, and the second reflux iron or the reflux plate 106 and is magnetically closed by the air gap 140.
  • the air gap 140 thus two constant, counter-directed magnetic fields or magnetic flux currents are generated.
  • the air gap 140 is the light, flat quadrangular winding of the coil 108 without iron core.
  • the coil 108 is movably mounted and can complete the relative movement 142 along the air gap 140.
  • FIG. 1C shows the induction generator 100 of FIG. 1A in a perspective view, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the provided by the spring element 104 storage for the coil 108 is clearly documented.
  • the illustration shows here consists of the storage of the two flat-angle springs 1 14, 1 16, which are arranged parallel to each other.
  • both spring ends are fixed in the housing or in the support structure 102 and at the other end 120 on the bobbin or the coil socket 1 10. Thanks to such an arrangement in the form of a parallelogram, the first spring.
  • a significant advantage of this design is that mechanical losses only from an internal friction in the springs 1 14, 1 16 - which can be regarded as almost negligible - and consist of an air resistance during the oscillation movement of the coil 108. Add to this still electrical resistance losses in the coil 108, however, incurred in any type of generator. Since the first flat spring 1 14 and the second flat spring 1 1 6 are electrically insulated from each other, they can be used simultaneously for current collection purposes or for an electrical connection of the coil 108.
  • Fig. 1 D shows the induction generator 100 of Fig. 1 A in an exploded view, according to an embodiment of the present invention.
  • the spring element 104 embodied as a "spring parallelogram" can be clearly recognized
  • the bearing of the coil 108 by means of the "spring parallelogram" 104 is advantageous, but not absolutely necessary.
  • the coil 108 may, for. B. also be stored swinging by means of a simple leaf spring or diaphragm. It is also a simple pivot bearing or a linear bearing in combination with rotary, tension or compression springs possible.
  • sliding contacts or wires can be used.
  • the actuating tongue 124 of the bobbin 1 10 is detected by an actuator, deflected in one of the two directions 142 A, 142 B to a certain way or to a certain force and released suddenly.
  • the coil 108 begins to oscillate in the constant magnetic field 138, and according to the Lorentz law, electrical energy is induced therein, which is taken off by the two oscillating contact springs or flat-flex springs 1 14, 1 1 6 for supplying a transmitting module. Due to the mutual induction, a vibration amplitude of the coil 108 decreases depending on a consumer power, until the bobbin 1 10 comes to rest.
  • the pulse length can be controlled.
  • Losses are essentially composed of air resistance during oscillation and resistance losses in the copper winding of the coil 108. Efficiencies achievable with this concept range between 65 and 80%.
  • the iron loop of the magnetic system 128 of the energy converter 100 is used in contrast to conventional systems only in a partial range of the magnetosuppression and therefore does not place high demands on the magnetic properties and significantly reduces system costs.
  • the induction generator 100 generates an alternating current. It is possible to change the polarity z. B. of the first half sine and to use for the direction detection. Thus, z. B. an "on" and an "off ' signal are generated and sent, depending on the direction of actuation of the generator 100, without additional coding contacts.
  • the magnet system 128 of the energy converter 100 can be constructed in different ways.
  • FIGS. 2A and 2B show a further embodiment of the induction generator 100.
  • FIG. 2A shows the exemplary induction generator 100 in a plan view. It can be seen that the upper side of this embodiment of the induction generator 100 corresponds largely to that shown in FIG. 1A, with the difference that the induction generator 100 shown in FIG. 2A is narrower and the current collectors 12 do not overlap the reflux plate 106.
  • the permanent magnet 130 is formed only by a single magnet whose alignment, in contrast to the other embodiment, is parallel to the winding of the coil 108 and has two pole pieces 200.
  • the magnetic circuit 128 is here provided with a larger magnet 130 with the two pole pieces 200 on each side.
  • the return or return plate 106 is in turn arranged by the air gap 140 from the rest of the magnet system 128 locally separated. With the design shown here, the flux density of the magnetic flux of the permanent magnetic field 138 at the pole faces of the permanent magnet 130 can be significantly increased. The flux density is calculated from the ratio between the pole faces of the magnet 130 and the pole faces of the pole pieces 200.
  • FIGS. 3A and 3B show a further embodiment of the induction generator 100.
  • the embodiment of the induction generator 100 shown in Fig. 3A corresponds to that shown in Fig. 1A, with the difference that in the induction generator 100 in Fig. 3A, the reflux plate 106 is disposed above the current collector 1 12.
  • the induction generator 100 shown here additionally has a third permanent magnet element 300 and a fourth permanent magnet element 302, which form a further permanent magnet 304 in combination with the reflux plate 106.
  • the further permanent magnet 304 is separated by the air gap 140 of the permanent magnet 130 in mirror image and forms together with this the magnetic system 128th
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of another embodiment of the induction generator 100.
  • the magnetic circuit 128 is also formed here by the permanent magnet 130 and the further permanent magnet 304, but here two reflux plates 106 are used, which are bent in a U-shape. Accordingly, the permanent magnet field 138 is divided into a first magnetic flux stream 400 and a second magnetic flux stream 402.
  • the coil 108 is arranged in the air gap 140 formed here by the U-shape of the reflux plates 106, so that a first winding half 404 of the coil is exposed to the first magnetic flux stream 400 and a second winding half 406 of the coil 108 is exposed to the second magnetic flux 402.
  • Fig. 4 selected design allows easy encapsulation of the generator 100, if z. B. a dustproof or waterproof design is desired.
  • the winding halves 404, 406 of the coil 108 can oscillate in a strong magnetic field 138 as possible.
  • the moving vibration system of the induction generator 100 is very compact and lightweight.
  • the coil 108 can only come in unwanted vibrations from the outside with very strong vibrations.
  • the oscillating body or the coil 108 may be connected to a switch housing be blocked by the actuator in rest and end position. Another possibility is to measure the induced voltage and to evaluate only a voltage increase above a certain level as a switching signal.
  • FIG. 5 shows a flow chart for one embodiment of a method 500 for generating an electrical current using an induction generator.
  • the method 500 can be advantageously carried out in conjunction with an induction generator, as explained in detail with reference to the preceding or following FIGS. 1A to 4.
  • a step 502 by actuating an actuating element of the induction generator, a coil movably mounted by means of a spring element is deflected by a predetermined amount or with a predetermined force. As a result, the coil performs oscillation movement transverse to a magnetic flux of a permanent magnetic field existing in the induction generator.
  • an electric current is induced in a winding of the coil by means of an electromagnetic induction based on the oscillation movement of the coil.
  • the electric current is tapped for operation, for example, of a self-sufficient radio switch.
  • the induction generator 100 has a support structure 102, a first return plate 106 and a second return plate 606.
  • the reflux plates 106, 606 are fixedly connected to the support structure 102.
  • a coil 108 carried by a coil holder 1 10 is movably supported relative to the carrier structure 102 and the reflux plates 106, 606 by means of a spring element composed of a first flat spiral spring 1 14 and a second flat spiral spring 1 1 6.
  • the flat bending springs 1 14, 1 1 6 are arranged on opposite sides of the induction generator 100.
  • the reflux plates 106, 606 are arranged between the flat bending springs 1 14, 1 1 6.
  • the assembly of the support structure 102 and the reflux plates 106, 606 is held together by a bracket 650.
  • the bracket 650 is located centrally between the flat-angle springs 1 14, 1 1 6.
  • the induction generator 100 can be fastened to an object, for example a wall.
  • suitable fixing elements such as screws can be used.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of the induction generator 100 of FIG. 6 taken along a line D-D shown in FIG. 6 according to an embodiment of the present invention.
  • the support structure 102, the reflux plates 106, 606, the clamp 650 and the coil 108 supported by the coil holder 1 10 can be seen.
  • a permanent magnet 130 is arranged between the return plates 106, 606, a permanent magnet 130 is arranged.
  • the permanent magnet 130 has two optional pole pieces 200, 700.
  • a shown free end portion of the flat bending spring 1 1 6 can be used as an electrical contact for electrically contacting the coil 108.
  • the permanent magnet 130 is disposed between the pole pieces 200, 700.
  • the permanent magnet 130 has a rectangular cross section.
  • the pole shoes 200, 700 are plate-shaped and abut the permanent magnet 130 on opposite sides.
  • the pole pieces 200, 700 form pole sections of the permanent magnet 130.
  • the first pole piece 200 acts as a south pole and the second pole piece 700 as a north pole.
  • a middle section of the first return plate 106 rests on a surface of the first pole piece 200 facing away from the permanent magnet 130.
  • the first pole piece 200 has a, for example, centrally arranged elevation, which engages in a through hole of the first reflux plate 106. As a result, slipping of the first pole piece 200 relative to the first reflux plate 106 can be avoided.
  • a short angled portion of the first return plate 106 and a long angled portion of the first return plate 106 abut. The short and the long angled sections are in the same direction aligned, down here, so that the first return plate 106 is formed approximately U-shaped.
  • the angled portions are each approximately at right angles to the central portion of the first return plate 106 and angled toward the permanent magnet 130.
  • the central portion of the first return plate 106 terminates on the side of the short angled portion at the edge of the first pole piece 200, but extends beyond the opposite edge of the first pole piece 200 on the side of the long angled portion.
  • the short angled portion of the first return plate 106 located to the left herein, extends along an edge of the first pole piece 200 and slightly beyond an edge of the permanent magnet 130.
  • the short angled portion of the first return plate 106 may be at the edge of the first pole piece and at the edge of the permanent magnet 130 abut.
  • the long angled portion of the first return plate 106 extends along an edge of the first pole piece 200, the edge of the permanent magnet 130 and the edge of the second pole piece 700.
  • the long angled portion of the first return plate 106 due to the projection of the Central portion over the edge of the first pole piece 200 at a distance from the pole pieces 200, 700 and the permanent magnet 130.
  • a middle section of the second return plate 606 rests on a surface of the second pole piece 700 facing away from the permanent magnet 130.
  • the second pole piece 700 has a, for example, centrally arranged elevation, which engages in a through hole of the second reflux plate 606. As a result, slippage of the second pole piece 700 with respect to the second return plate 606 can be avoided.
  • a short angled portion of the second return plate 606 and a long angled portion of the second return plate 606 abut.
  • the short and the long angled section point in the same direction, here upwards, so that the second return plate 606 is formed approximately U-shaped.
  • the angled portions are each approximately at right angles to the central portion of the second return plate 606 and angled towards the permanent magnet 130.
  • the middle section of the second return plate 606 terminates on the side of the short angled section at the edge of the second pole piece. however, extends beyond the edge of the second pole piece 700 on the side of the long angled portion.
  • the short angled portion of the second return plate 606 may be secured to the edge of the second pole piece 700 and to the second Edge of the permanent magnet 130 abut.
  • the long angled portion of the second return plate 606 extends along an edge of the second pole piece 700, the edge of the permanent magnet 130 and the edge of the first pole piece 200. In this case, the long angled portion of the second return plate 606 due to the protrusion of the Central portion over the edge of the second pole piece 700 at a distance from the pole pieces 200, 700 and the permanent magnet 130.
  • the short angled portion of the first return plate 106 is disposed on the same side of the induction generator 100 as the long angled portion of the second return plate 606.
  • the short angled portion of the first return plate 106 and the long angled portion of the second return plate 606 partially overlap.
  • the long angled portion of the second return plate 606 extends approximately to the level of a surface remote from the first pole piece 200 surface of the central portion of the first return plate 106. Overlapping portions of the short angled portion of the first return plate 106 and the long angled portion of the second return plate 606th are separated by a first air gap 140.
  • a first portion of the coil 108 is disposed in the first air gap 140.
  • the air gap 140 facing surfaces of the short angled portion of the first return plate 106 and the long angled portion of the second return plate 606 each have a curvature that is adapted to a radius of movement of the first portion of the coil 108 within the first air gap 140.
  • the permanent magnetic field generated by the permanent magnet 130 traverses the air gap 140.
  • the movement of the first portion of the coil 108 within the first air gap 140 is approximately perpendicular to the magnetic field lines of the permanent magnetic field crossing the air gap 140.
  • the long angled portion of the first return plate 106 is disposed on the same side of the induction generator 100 as the short angled portion of the second return plate 606.
  • the long angled portion of the first return plate 106 and the short angled portion of the second return plate 606 partially overlap.
  • the long angled portion of the first return plate 106 extends approximately to a level of the surface of the central portion of the second return plate 606 facing away from the second pole piece 700. Overlapping portions of the long angled portion of the first return plate 106 and the short angled portion of the second return plate 606 are separated by a second air gap 740. A second portion of the coil 108 opposite the first portion is disposed in the second air gap 740. Second air gap 740 facing surfaces of the long angled portion of the first return plate 106 and the short angled portion of the second return plate 606 each have a curvature that is adapted to a radius of movement of the second portion of the coil 108 within the second air gap 740.
  • the permanent magnetic field generated by the permanent magnet 130 passes through the second air gap 740.
  • the movement of the second portion of the coil 108 within the second air gap 740 is approximately perpendicular to the magnetic field lines of the permanent magnetic field passing through the second air gap 740.
  • the carrier structure 102 lies flat against a surface of the first reflux plate 106 facing away from the first pole piece 200.
  • the support structure 102 has an extension which engages in a passage opening of the first return plate 106.
  • the bracket 650 extends along an outer surface of the support structure 102 and along an outer surface of the second return plate 606 and engages with a first hook in a recess of the support structure 102 opposite recess of the support structure 102 and with a second hook in the recess of the second return plate 606.
  • the coil holder 1 10 is designed as a rectangular ring with an outer circumferential groove. In the groove, the coil 108 forming winding or arranged the coil 108 forming windings. Through the circumferential groove, the winding plane of the coil 108 is clamped.
  • the permanent magnet 130 is disposed within an inner space of the coil holder 110 that is enclosed by the coil holder 110. The axis of rotation of the coil 108 extends through the winding plane of the coil 108 and across the permanent magnet 130th
  • the coil 108 is shown in the rest position. In the rest position, a central axis of the coil 108 which is orthogonal to a winding plane of the coil 108 is slightly inclined relative to a central axis of the permanent magnet 130 extending between the poles of the permanent magnet 130.
  • the coil 108 is mounted so as to be rotatable relative to the permanent magnet 130 about an axis of rotation. Starting from the rest position, the coil 108 can be deflected in both directions of rotation about the axis of rotation, whereby due to the permanent magnetic field in each case a current in the winding or the windings of the Coil 108 is induced.
  • FIG. 8 shows another cross-sectional view of the induction generator 100 of FIG. 7 according to an embodiment of the present invention.
  • the coil 108 is shown in a first deflected position.
  • the first section of the coil 108 located in the first air gap 140 has become toward the middle section of the second return plate 606 and the second air gap 740 located second portion of the coil 108 in the direction of the central portion of the first return plate 106 moves.
  • the coil 108 can begin an oscillatory movement, whose initial movement direction is indicated by arrows.
  • the induction generator 100 may include an actuator connected to the coil socket 110.
  • FIG. 9 shows another cross-sectional view of the induction generator 100 of FIG. 7 according to an embodiment of the present invention.
  • the coil 108 is shown in a second deflected position.
  • the first section of the coil 108 located in the first air gap 140 has become in the direction of the middle section of the first reflux plate 106 and in the second air gap 740 located second portion of the coil 108 in the direction of the central portion of the second return plate 606 moves.
  • the coil 108 can begin an oscillatory movement, whose initial movement direction is indicated by arrows.
  • the spool 108 may have been moved to the second deflected position.
  • the coil 108 driven by the flat-flexion springs 1 1 6 can perform an oscillatory movement which alternately extends in the directions of movement indicated by arrows in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 10 shows the induction generator 100 of FIG. 6 in an exploded view according to an embodiment of the present invention.
  • the permanent magnet 130 and the pole pieces 200, 700 are each designed as a rectangular-shaped plates.
  • the coil 108 has a rectangular cross-sectional area.
  • the coil holder 110 is designed as a circumferential ring, within which the permanent magnet 130 and the pole pieces 200, 700 can be arranged.
  • the flat bending springs 1 14, 1 1 6 are each U-shaped.
  • the carrier structure 102 and the coil holder 1 10 have slot-shaped receiving elements 1061, 1062, into which sections of the flat-flexion springs 1 14, 1 16 can be inserted in order to form the flat-angle springs 1 14, 1 1 6 on the support structure 102 and on the other hand to fix the coil socket 1 10.
  • FIG. 10 only the receiving elements 1061, 1062 can be seen for the flat bending spring 1 14.
  • the receiving elements for the flat bending spring 1 1 6 are executed corresponding to the receiving elements 1061, 1062 shown.
  • the free ends of the flat spiral spring 1 14 have in the assembled state in opposite directions as the free ends of the flat spiral spring 1 1 6.
  • the coil 108 can be electrically contacted via the flat coil springs 1 14, 1 1 6.
  • the support structure 102 has a base plate arranged parallel to the middle section of the first return plate 106 in the assembled state and two side walls projecting at a right angle from the base plate, which in the installed state have lateral guides for the reflux plates 106, 606 and optionally for the pole shoes 200, 700 and Permanent magnets 130 form.
  • the side walls are guided in the assembled state within the coil holder 1 10.
  • the side walls have passage openings 1071, 1072 for receiving pin 1074 of the coil holder 110 which acts as a rotary shaft.
  • the axis of rotation of the coil 108 extends through the through-openings 1071, 1072.
  • an actuator 1080 is arranged, via which the coil 108 can be deflected out of its rest position, against restoring forces of the flat spiral springs 1 14, 1 1 6.
  • the coil 108 is rotatably supported by an axle and is configured to oscillate about the axis during operation of the induction generator 100.
  • the magnet system of the induction generator 100 is constructed with the magnet 130.
  • the insects 200, 700 which are designed here as a flat iron square, are provided as a placeholder to save volume of the magnet 130.
  • the generator 100 can be equipped with a low-cost hard ferrite magnet as a permanent magnet 130. In that case, the intermediate pole pieces 200, 700 can be omitted.
  • Fig. 1 1 shows the induction generator 100 of Fig. 10 in the assembled state according to an embodiment of the present invention.
  • the first end is inserted into the receiving element 1062 of the coil holder 1 10 and the first end opposite end portion is guided by the receiving element 1061 of the support structure 102, so that the second end of the flat bending spring 1 14 is free-standing and used as an electrical contact can be.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

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Abstract

Es wird ein Induktionsgenerator (100), mit zumindest einem Permanentmagneten (130) zum Erzeugen eines Dauermagnetfelds (138), zumindest einer Rückflussplatte (106) zum Führen des Dauermagnetfelds (138), einer Spule (108) und einem Federelement (104) vorgeschlagen, wobei der Permanentmagnet (130) und die Rückflussplatte (106) durch einen von dem Dauermagnetfeld (138) durchdrungenen Luftspalt (140) voneinander getrennt sind, und wobei die Spule (108) mit dem Federelement (104) verbunden und in dem Luftspalt (140) bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (104) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Auslenkung der Spule (108) eine Oszillationsbewegung der Spule (108) in dem Luftspalt (140) quer zu einem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds (138) innerhalb des Luftspalts (140) zu bewirken.

Description

Induktionsqenerator und Verfahren zum Generieren eines elektrischen Stroms unter
Verwendung eines Induktionsqenerators
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsgenerator und ein Verfahren zum Generieren eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines Induktionsgenerators.
Bereits bekannte elektromagnetische Energiewandler, die beispielsweise bei Funkschaltern eingesetzt werden, nutzen im Grunde stets dasselbe Prinzip. Durch eine Bewegung eines Magnetsystems mit einem Permanentmagneten oder einer Bewegung eines Magnetkerns selbst wird eine schlagartige Magnetflussveränderung in einem Magnetkreis verursacht, wodurch in einer statisch auf dem Magnetkern platzierten Spule mittels Induktion elektrische Energie erzeugt wird. In der Regel nutzen die Systeme während eines Schaltvorgangs eine komplette magnetische Umpolung des Magnetkreises.
Zur Verbesserung der hohen Geräuschentwicklung im Generator bei bekannten Systemen bestehen Konzepte zur Minimierung der Verluste beim Aufprall des Permanentmagneten oder Magnetkerns, verbunden mit einem Anstieg der Reibverluste beim Umschaltvorgang. Zur Effizienzsteigerung ist es ferner möglich, die Energie mittels eines rotierenden Generators mit einem Getriebe umzusetzen.
Die DE 101 12 072 A1 offenbart ein Schaltelement mit einem Betätigungsorgan, das über eine Hebelanordnung mit einem Energiewandler des Schaltelements derart in Wirkverbindung steht, dass die Bewegung des Betätigungsorgans auf den Energiewandler übertragbar ist. Dadurch wandelt der Energiewandler wenigstens einen Teil der zur Betätigung des Betätigungsorgans aufgewandten mechanischen Energie in elektrische Energie um.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Induktionsgenerator und ein verbessertes Verfahren zum Generieren eines elektrischen Stroms gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. In Bezug auf einen Induktionsgenerator errechnet sich die elektrische Energie aus folgenden Verhältnissen:
Ee = Em— Ev
Ev = Evm + Evmg + EVe
Dabei gilt:
Ee = elektrische Energie
Em = mechanische Energie
Ev = Verlustenergie
Evm = mechanische Verlustenergie
Evmg = magnetische Verlustenergie
Eve = elektrische Verlustenergie
Das hierin vorgestellte erfinderische Konzept basiert auf der Erkenntnis, dass ein Wirkungsgrad eines Induktionsgenerators erheblich gesteigert werden kann, wenn für die Energieumsetzung die Spule des Generators anstelle des wesentlich schwereren Magnetsystems bewegt wird.
Mit Blick auf die Energieformel lässt sich diese Überlegung noch deutlicher zeigen. So ergibt sich für kinetische Energie bzw. Bewegungsenergie:
Ekin. = 0,5 x m x V2
Dabei gilt:
Ekin. = kinetische Energie
m = Masse
V = Geschwindigkeit
Die elektrische Energie eines Generators errechnet sich wie folgt:
Eei. = U2 X t / R Dabei gilt:
Εθι. = elektrische Energie
U = Spannung
t = Zeit
R = elektrischer Widerstand
V « U
So ist es also sinnvoller, in die Erhöhung von Geschwindigkeit oder Spannung anstatt in die Erhöhung von Masse oder Zeit bzw. in die Reduzierung des Widerstandes zu investieren, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass eine magnetostatische Erhöhung der Flussdichte im Eisenkreis naturbedingt nur bis zu einem gewissen Grad möglich ist, da auch die besten weichmagnetischen Materialien nur eine maximale Flussdichte von ca. 2,4 T absolvieren können. Selbstverständlich ist es erstrebenswert, die Flussdichte bzw. das Magnetfeld möglichst hoch zu halten; aus Kostengründen kann es jedoch sinnvoll sein, die Flussdichte im Bereich von 1 ,8 - 2,0 T zu wählen (Fe, FeSi).
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Wirkungsgrad bei der elektromagnetischen Energiewandlung entscheidend verbessert werden, indem darauf verzichtet wird, ein relativ schweres Element des Eisenkreises, also das Magnetelement oder Magnetkern, auf einem kurzen Weg möglichst schnell zu beschleunigen und am Ende des Zyklus möglichst schnell abzubremsen.
Mit dem hier vorgestellten Konzept kann nun der größte Teil der Energie, der sonst in einem Aufprall nutzlos vernichtet würde, umgesetzt werden. Zusätzlich kann die Geräuschentwicklung reduziert und Lebensdauer des Generators verlängert werden. Der hohe Wirkungsgrad eines hierin vorgestellten Induktionsgenerators verdankt sich insbesondere der Tatsache, dass die Kraft für die Beschleunigung des relativ schwer beweglichen Magnetsystems nicht mehr benötigt wird. Als Nebeneffekte entfallen auch mechanische Verluste in der linearen Lagerung des beweglichen Teils sowie die durch die relativ niedrige Eigenfrequenz bedingte Gefahr, dass das System in einem praxisbezogenen Vibrationsspektrum in eine ungewollte Resonanz- Schwingung gerät und Energie erzeugt, was bei einem Funkschalter zur Erzeugung ungewollter Funksignale führen könnte.
Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz erübrigt es sich, einen Magnetkern vollständig umzupolen. Damit können Systemkosten reduziert werden, da keine hohen Anforderungen an das sonst für einen Magnetkern verwendete Material bzw. an das Schluss-Glühen bestehen. Es müssen keine oder nur geringe magnetische Verluste in Kauf genommen werden. Ein gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung gestalteter Induktionsgenerator benötigt kein den Wirkungsgrad verringerndes Getriebe und hat keinen mechanisch anfälligen komplexen Aufbau, sondern vereint sämtliche Kriterien, die einen optimalen elektromechanischen Energiewandler insbesondere für autarke Funksysteme ausmachen. Dazu gehören ein kleiner Bauraum, eine hohe Energiedichte, ein hoher Wirkungsgrad, ein kurzer Aktivierungsweg, eine geringe Aktivierungskraft, eine geringe Geräuschentwicklung, eine möglichst konstante Energiequantität, eine von der Betätigungsgeschwindigkeit unabhängige Funktion, Robustheit gegenüber Temperaturveränderungen, mechanische Robustheit sowie geringe Herstellungskosten.
Der beschriebene Ansatz kommt der steigenden Nachfrage nach autarken Funksystemen entgegen, die in der Lage sind, aufwendige Funkprotokolle wie KNX- RF, ZigBe, Bluetooth Low Energy oder W-LAN mit hoher Sendeleistung und mehreren Wiederholungen zu realisieren. Dies ist nur mit außerordentlich leistungsfähigen Generatoren (0,7 bis 2 mWs) möglich. Eine einfache Vergrößerung bekannter Energiewandler ist dabei nicht zielführend, da die Bedienbarkeit solcher Systeme aufgrund der weiterhin steigenden Betätigungskräfte und Dimensionen sowie der vermehrten Geräuschentwicklung ausgeschlossen oder stark erschwert wird. Der nachfolgend beschriebene Induktionsgenerator kann für solche Einsatzgebiete verwendet werden, bei denen bei kleiner Bauform eine große Energieausbeute erforderlich ist.
Ein Induktionsgenerator, mit zumindest einem Permanentmagneten zum Erzeugen eines Dauermagnetfelds, zumindest einer Rückflussplatte zum Führen des Dauermagnetfelds, einer Spule und einem Federelement, wobei der Permanentmagnet und zumindest ein Abschnitt der Rückflussplatte durch einen von dem Dauer- magnetfeld durchdrungenen Luftspalt voneinander getrennt sind, und wobei die Spule mit dem Federelement verbunden ist und zumindest ein Abschnitt der Spule in dem Luftspalt bewegbar angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Auslenkung der Spule eine Oszillationsbewegung zumindest des Abschnitts der Spule in dem Luftspalt quer zu einem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds innerhalb des Luftspalts zu bewirken.
Bei dem Induktionsgenerator oder elektrischen Generator handelt es sich um eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um mittels elektromagnetischer Induktion elektrischen Strom oder elektrische Spannung zu erzeugen. Ein derartiger Induktionsgenerator kann beispielsweise in Zusammenhang mit einem autarken Funkschalter, der z. B. zum Ein- und Ausschalten einer Beleuchtungseinrichtung verwendet wird, eingesetzt werden. Der zumindest eine Permanentmagnet oder Dauermagnet kann z. B. Eisen, Kobalt, Nickel oder Ferrit oder eine Legierung aus mehreren dieser Metalle aufweisen und ausgebildet sein, um ein statisches Magnetfeld, das Dauermagnetfeld zu bilden. Der Permanentmagnet kann einstückig gebildet sein und an gegenüberliegenden Seiten entgegengerichtete Pole, einen Südpol und einen Nordpol, aufweisen. Beispielsweise kann der Permanentmagnet an den gegenüberliegenden Seiten Polschuhe aus einem Material mit hoher Permeabilität aufweisen. Entsprechend einer Polung des Permanentmagneten kann der eine Polschuh den Nordpol und der andere Polschuh den Südpol bilden. Mithilfe der Polschuhe kann der von dem Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss in definierter Weise geführt und verteilt werden. Alternativ kann der Permanentmagnet mehrstückig sein und sich z. B. aus wenigstens zwei oder mehreren Permanentmagnetelementen zusammensetzten.
Gemäß einer Ausführungsform können solche zwei Permanentmagnetelemente, die jeweils einen eigenständigen Permanentmagneten repräsentieren, über eine gemeinsame Verbindungsplatte miteinander verbunden sein. Dabei können die zwei Permanentmagnetelemente so beabstandet auf der Verbindungsplatte aufliegen, dass der Nordpol des einen Permanentmagnetelements und der Südpol des anderen Permanentmagnetelements auf einer Oberfläche der Verbindungsplatte auf- liegt und entsprechend das gesamte Ensemble einen u-förmigen Permanentmagneten ausbildet. Die Polflächen des u-förmigen Permanentmagneten können in einer Ebene liegen und die Oszillationsbewegung kann parallel zu dieser Ebene erfolgen. Die Verbindungsplatte kann als eine flache rechteckige Platte ausgebildet sein, um den magnetischen Fluss optimal zwischen den einzelnen Permanentmagnetelementen zu leiten. Die Rückflussplatte kann in Bezug auf Material, Aufbau und Abmessungen der Verbindungsplatte ähneln oder zu dieser identisch sein und eingesetzt werden, um einen ringförmigen Verlauf des magnetischen Flusses zu gewährleisten. Der Permanentmagnet und die Rückflussplatte können einander gegenüberliegend angeordnet sein, wobei z. B. die Rückflussplatte und die Verbindungsplatte der zwei Permanentmagnetelemente eine Ober- bzw. Unterseite eines so gebildeten Magnetsystems bilden. Basierend auf dem durch den Aufbau des Magnetsystems erzeugten ringförmigen magnetischen Fluss kann das Dauermagnetfeld in dem Luftspalt zwei entgegengesetzt gerichtete Magnetflussströme aufweisen.
Die Spule kann eine Wicklung aus einem oder einer Mehrzahl von Drähten, z. B. aus Kupfer, aufweisen und so mit dem Federelement verbunden sein, dass sie gemäß einer Ausführungsform parallel zur Wicklungsebene und gemäß einer weiteren Ausführungsform um eine in der Wicklungsebene verlaufende Drehachse auslenkbar in dem zumindest einen Luftspalt gelagert ist. Die Auslenkung der Spule kann durch ein Auslenkungsmittel des Induktionsgenerators erfolgen, um die durch das Federelement ermöglichte Oszillationsbewegung der Spule anzustoßen.
Bei der Oszillationsbewegung kann es sich um eine gedämpfte Schwingung handeln, deren Stärke sich abhängig von einem spezifischen Aufbau und/oder einer spezifischen Federkraft des Federelements mit der Zeit abschwächt und schließlich ausklingt. Über die quer zum Magnetfluss bzw. den Magnetflussströmen erfolgende Schwingung der Spule kann ein elektrischer Wechselstrom in der Wicklung der Spule induziert werden. Es können ein oder mehrere Federelemente eingesetzt werden, die die Spule tragen und die Oszillationsbewegung der Spule ermöglichen können. Ein Federelement kann eine geeignet ausgeführte Feder, beispielsweise eine Biegefeder, Drehfeder, Zugfeder oder Druckfeder sein. Gemäß einer Ausführungsform des Induktionsgenerators können der Permanentmagnet, die Rückflussplatte und ein Ende des Federelements an einer Trägerstruktur des Induktionsgenerators fix bzw. ortsfest befestigt sein. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass insbesondere die relativ schweren Elemente des Magnetsystems statisch zur Stromerzeugung eingesetzt werden können, wodurch die Geräuschentwicklung minimiert und die Lebensdauer des Induktionsgenerators verlängert werden kann. Ebenso kann eine Baugröße des Induktionsgenerators kleiner ausfallen, da die Trägerstruktur keiner Belastung durch eine Beschleunigung der schweren Magnete standhalten muss. Die Trägerstruktur kann ein Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses des Induktionsgenerators sein. Die Spule kann durch das Federelement beweglich gegenüber der Trägerstruktur und somit gegenüber dem Dauermagnetfeld gelagert sein.
Gemäß einer Ausführungsform können der Permanentmagnet und die Rückflussplatte durch den Luftspalt voneinander getrennt sein. Es kann somit kein Berührungspunkt zwischen dem Permanentmagneten und der Rückflussplatte bestehen. Ferner kann die Spule in dem Luftspalt bewegbar angeordnet sein. Dabei kann sich die gesamte Spule innerhalb des Luftspalts befinden. Das Federelement kann ausgebildet sein, um ansprechend auf die Auslenkung der Spule die Oszillationsbewegung der Spule in dem Luftspalt quer zu dem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds innerhalb des Luftspalts zu bewirken. Vorteilhafterweise kann die Oszillationsbewegung einander entgegengesetzte Linearbewegungen der Spule umfassen.
Der Induktionsgenerator kann so ausgeführt sein, dass das Dauermagnetfeld einen Magnetfeldkreis bildet, dessen magnetischer Fluss von einem ersten Pol des Permanentmagneten durch einen ersten Abschnitt des Luftspalts, durch die Rückflussplatte und durch einen zweiten Abschnitt des Luftspalts zu einem zweiten Pol des Permanentmagneten strömt. Dabei kann eine erste Wicklungshälfte der Spule in dem ersten Abschnitt des Luftspalts angeordnet sein und eine zweite Wicklungshälfte der Spule in dem zweiten Abschnitt des Luftspalts angeordnet sein. Die Wicklungshälften können an einander gegenüberliegenden Seiten der Spule angeordnet sein. So kann vorteilhaft gewährleistet werden, dass beide Wicklungshälften der Spule einer maximai starken Magnetwirkung ausgesetzt sind. Entsprechend kann ein hoher Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung mit einfachen Mitteln erzielt werden.
Eine Mittelachse der Spule kann parallel oder annähernd parallel zu dem magnetischen Fluss durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt des Luftspalts verlaufen. Die Wicklung der Spule verläuft um die Mittelachse der Spule herum, sodass die Mittelachse orthogonal zu einer die Wicklung umfassenden Wicklungsebene der Spule ausgerichtet sein kann. Mittels der Ausrichtung der Spule im rechten Winkel zu dem magnetischen Fluss kann durch die Oszillationsbewegung vorteilhafterweise eine maximale Spannung in der Wicklung der Spule induziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Induktionsgenerator einen ersten Permanentmagneten zum Erzeugen eines ersten Magnetflussstroms des Dauermagnetfelds, eine erste Rückflussplatte zum Führen des ersten Magnetflussstroms, einen zweiten Permanentmagneten zum Erzeugen eines zweiten Magnetflussstroms des Dauermagnetfelds und eine zweite Rückflussplatte zum Führen des zweiten Magnetflussstroms aufweisen. Dabei kann der erste Magnetflussstrom in einem ersten Magnetfeldkreis von einem ersten Pol des ersten Permanentmagneten durch einen ersten Abschnitt des Luftspalts und durch die erste Rückflussplatte zu einem zweiten Pol des ersten Permanentmagneten strömen und der zweite Magnetflussstrom in einem zweiten Magnetfeldkreis von einem ersten Pol des zweiten Permanentmagneten durch die zweite Rückflussplatte und durch einen zweiten Abschnitt des Luftspalts zu einem zweiten Pol des zweiten Permanentmagneten strömen. Insbesondere kann dabei eine erste Wicklungshälfte der Spule in dem ersten Abschnitt des Luftspalts angeordnet sein und eine zweite Wicklungshälfte der Spule in dem zweiten Abschnitt des Luftspalts angeordnet sein. Beispielsweise können die erste Rückflussplatte und die zweite Rückflussplatte jeweils u-förmig gebogen ausgebildet sein, wobei der jeweilige Permanentmagnet auf einer Innenseite eines Schenkels der u-förmigen Rückflussplatte aufliegt und von einer Innenseite des weiteren Schenkels bedacht wird. So kann erzielt werden, dass beide Magnetflussströme wiederum ringförmig in dem jeweiligen Magnetsystem strömen. Neben einer Redundanz, die mittels der zwei unabhängig voneinander betreibbaren Magnetfluss- ströme zur Bildung des Dauermagnetfelds besteht, weist diese Ausführungsform eine besonders einfache Möglichkeit der Verkapselung des Induktionsgenerators bei erwünschter Staub- und/oder Wasserdichtigkeit auf, da die u-förmigen Rückschlussplatten das empfindliche Spule-Feder-System fast vollständig schützend umgeben und lediglich ein Spalt zwischen der ersten und der zweiten Rückschlussplatte geschlossen werden braucht.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zumindest eine Permanentmagnet innerhalb der Spule angeordnet sein. Dabei kann die Spule beweglich gegenüber dem Permanentmagnet angeordnet sein. Durch diese Anordnung des Permanentmagneten kann der Induktionsgenerator sehr kompakt ausgeführt werden.
Die Spule kann um eine durch eine Wicklungsebene der Spule verlaufende Drehachse drehbar gelagert sein, um die Oszillationsbewegung ausführen zu können. Hierbei können geringe Auslenkungen der Spule ausreichend sein, um ausreichend elektrische Energie erzeugen zu können.
Dabei kann eine an einem ersten Polabschnitt des Permanentmagneten anliegende erste Rückflussplatte und eine an einem zweiten Polabschnitt des Permanentmagneten anliegende zweite Rückflussplatte vorgesehen sein. Die Polabschnitte können durch Polschuhe oder durch Endabschnitte des Permanentmagneten realisiert sein. Die erste Rückflussplatte kann einen sich entlang einer ersten Längsseite des Permanentmagneten erstreckenden ersten abgewinkelten Abschnitt und die zweite Rückflussplatte kann einen sich entlang einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite des Permanentmagneten erstreckenden zweiten abgewinkelten Abschnitt aufweisen. Die Längsseiten können parallel zu einer zwischen den Polabschnitten verlaufenden Mittelachse des Permanentmagneten verlaufen. Ein erster Luftspalt kann sich zwischen dem Permanentmagneten und dem ersten abgewinkelten Abschnitt und ein zweiter Luftspalt kann sich zwischen dem Permanentmagneten und dem zweiten abgewinkelten Abschnitt befindet. Dabei können ein erster Abschnitt der Spule in dem ersten Luftspalt und ein zweiter Abschnitt der Spule in dem zweiten Luftspalt bewegbar angeordnet sein. Bei den genannten Ausführungsformen kann das Federelement des Induktionsgenerators eine erste Flachbiegefeder und eine zweite Flachbiegefeder aufweisen, zwischen denen die Spule in dem Luftspalt schwingend gelagert sein kann. Flachbiegefedern können kostengünstig und bauraumsparend eingesetzt werden, um eine geeignete Oszillation der Spule zu gewährleisten. Mittels der Flachbiegefedern kann ein sogenanntes Feder-Parallelogramm gebildet werden, mit dem die Spule in eine besonders gleichmäßige und lang anhaltende Oszillation versetzt werden kann. Ein Wirkungsgrad des Induktionsgenerators kann damit weitergehend gesteigert werden.
Alternativ zu den Flachbiegefedern können andere eine Schwingung der Spule erzeugende und unterstützende Elemente wie beispielsweise einfache Blattfedern oder auch eine Membrane in oder als das Federelement eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Federelement einen elektrischen Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Spule repräsentieren. Dazu kann ein Abschnitt des Federelements ein Kontaktelement zur Stromabnahme eines aufgrund der Oszillationsbewegung von der Spule bereitgestellten Wechselstroms umfassen. Somit kann das Federelement zur Leitung des in der Spule induzierten elektrischen Stroms, beispielsweise zwischen der Spule und einem elektrischen Verbraucher, eingesetzt werden. Vorteilhafterweise können zwei voneinander elektrisch isolierte Federelemente eingesetzt werden, über die die Spule sowohl elektrisch kontaktiert als auch gegenüber einer Trägerstruktur des Induktionsgenerators beweglich gelagert werden kann. Beispielsweise können elektrische Anschlüsse der Spule über zwei Flachbiegefedern elektrisch kontaktiert werden, wobei die Flachbiegefedern voneinander elektrisch isoliert sind. Mit dieser Ausführungsform kann Bau räum gespart werden, da auf einen separaten Stromabnehmer verzichtet werden kann.
Insbesondere kann die Spule des Induktionsgenerators kernlos ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Spule mit einem besonders geringen Gewicht ausgeführt werden. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass die Spule gegen einen nur geringen Widerstand sehr schnell aus einer Ruheposition in Schwingung versetzt werden kann und die Schwingung an sich eine sehr hohe Frequenz aufweisen kann. Auch auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Induktionsgenerators verbessert werden.
Die Spule kann von einer Spulenfassung eingefasst sein. Die Spulenfassung kann mit einem dem an der Trägerstruktur fixierten Ende des Federelements gegenüberliegenden weiteren Ende des Federelements verbundenen sein. So kann eine Federkraft des Federelements über die Spulenfassung verlustarm und gleichmäßig auf die Spule übertragen werden. Gleichzeitig ermöglicht diese Ausführungsform eine einfache Umsetzung einer Weiterleitung des in der Wicklung der Spule erzeugten elektrischen Stroms an das Federelement, beispielsweise zur Stromabgabe über einen in das Federelement integrierten Kontakt. Bei einer Verwendung von beidseitig der Spule angeordneten Flachbiegefedern als das Federelement kann beispielsweise die Spulenfassung zwei Fortsätze aufweisen, in die jeweils ein Ende einer Flachbiegefeder eingreifen kann, um die Spulenfassung zu halten.
Ferner kann die Spulenfassung ein Betätigungselement zum Auslenken der Spule aufweisen. Das Betätigungselement kann beispielsweise in Form einer Betätigungszunge ausgebildet und so angeordnet sein, dass es von einem Betätiger leicht erreicht und die Spule aus ihrer Ruhelage in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen auslenken kann. Nach einer Freigabe des Betätigungselements kann die Oszillationsbewegung der Spule beginnen.
Der Induktionsgenerator kann eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Anfangspolarität einer aufgrund der Oszillationsbewegung von der Spule bereitgestellten Wechselspannung aufweisen. Die Anfangspolarität ist abhängig von einer anfänglichen Richtung der auf die Auslenkung folgenden Oszillationsbewegung und somit abhängig von einer Richtung der Auslenkung der Spule. Entsprechend kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, um eine anfängliche Richtung eines aufgrund der Oszillationsbewegung von der Spule bereitgestellten Wechselstroms zu erfassen. Dadurch kann beispielsweise bestimmt werden, in welche der zwei entgegengesetzten Richtungen die Spule zur Vorbereitung der Oszillationsbewegung mittels des Betätigungselements ausgelenkt wurde. Auf diese Weise kann erkannt werden, in welche Richtung ein Betätigungselement des Induktionsgenerators bewegt wurde. Auf diese Weise kann beispielsweise zwischen einem Einschaltvorgang und einem Ausschaltvorgang unterschieden werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Generieren eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines Induktionsgenerators mit zumindest einem Permanentmagneten zum Erzeugen eines Dauermagnetfelds, zumindest einer Rückflussplatte zum Führen des Dauermagnetfelds, einer Spule und einem Federelement, wobei der Permanentmagnet und zumindest ein Abschnitt der Rückflussplatte durch einen von dem Dauermagnetfeld durchdrungenen Luftspalt voneinander getrennt sind, und wobei die Spule mit dem Federelement verbunden ist und zumindest ein Abschnitt der Spule in dem Luftspalt bewegbar angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Auslenken der Spule, um eine Oszillationsbewegung zumindest des Abschnitts der Spule in dem Luftspalt quer zu einem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds innerhalb des Luftspalts zu bewirken; und
Generieren des elektrischen Stroms in der Spule mittels elektromagnetischer Induktion basierend auf der Oszillationsbewegung der Spule.
Auch in dieser Form eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann das hier vorgestellte erfinderische Konzept vorteilhaft umgesetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 A eine Draufsicht auf einen Induktionsgenerator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 B eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus Fig. 1 A;
Fig. 1 C den Induktionsgenerator aus Fig. 1 A in einer perspektivischen
Darstellung;
Fig. 1 D den Induktionsgenerator aus Fig. 1 A in einer Explosionsdarstellung; Fig. 2A eine Draufsicht auf einen Induktionsgenerator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus Fig. 2A;
Fig. 3A eine Draufsicht auf einen Induktionsgenerator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus Fig. 3A;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Induktionsgenerators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Generieren eines
elektrischen Stroms unter Verwendung eines Induktionsgenerators, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Induktionsgenerator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus Fig. 6;
Fig. 8 eine weitere Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus
Fig. 6;
Fig. 9 eine weitere Querschnittsansicht des Induktionsgenerators aus
Fig. 6
Fig. 10 eine Explosionsdarstellung des Induktionsgenerator aus Fig. 6;
und
Fig. 1 1 eine Darstellung des Induktionsgenerator aus Fig. 10.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Induktionsgenerators illustriert. Die in den Figuren beschriebenen exemplarischen Induktionsgeneratoren können insbesondere zum Betrieb eines autarken Funkschalters eingesetzt werden. Fig. 1 A zeigt in einer Draufsicht einen Induktionsgenerator 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist eine Trägerstruktur 102, ein Federelement 104, eine Rückflussplatte 106, eine Spule 108 in einer Spulenfassung 1 10 sowie zwei Stromabnehmer 1 12.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Induktionsgenerators 100 setzt sich das Federelement 104 aus einer ersten Flachbiegefeder 1 14 und einer zweiten Flachbiegefeder 1 1 6 zusammen, die jeweils seitlich der Spule 108 und der Rückflussplatte 106 parallel verlaufen. Die Spule 108 ist als eine flache rechteckige Wicklung ausgebildet, die in der Darstellung in Fig. 1 nur teilweise zu sehen ist, da sie von der Rückflussplatte 106 abgedeckt ist. Ein Ende 1 18 des durch die Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 gebildeten Federelements 104 ist an der Trägerstruktur 102 befestigt, und ein weiteres Ende 120 greift in zwei Fortsätze 122 der die Spule 108 tragenden Spulenfassung 1 10 ein. So ist die Spule 108 lediglich mittelbar über das Federelement 104 mit der Trägerstruktur 102 verbunden und mittels des Federelements 104 bewegbar bzw. schwingend in dem Induktionsgenerator 100 gelagert.
Mittels eines hier zungenförmig ausgebildeten Betätigungselements 124 der Spulenfassung 1 10 kann die Spule 108 ausgelenkt und mit Unterstützung des Federelements 104 in einem Magnetfeld eines in der Darstellung in Fig. 1 nicht sichtbaren Magnetsystems des Induktionsgenerators 100 in Schwingung versetzt werden, um unter Ausnutzung der Lorentz-Kraft einen elektrischen Stromfluss in der Wicklung der Spule 108 zu erzeugen. Ein Abschnitt des über die Spulenfassung 1 10 mit der Spule 108 gekoppelten Federelements 104 bildet ein Kontaktelement 126, über das der in der Spule 108 induzierte elektrische Strom auf die mit dem Kontaktelement 126 verbundenen Stromabnehmer 1 12 fließen und dort abgegriffen werden kann. Die Stromabnehmer 1 12 sind die Rückflussplatte 106 teilweise überlappend angeordnet.
Über die Trägerstruktur 102 kann der Induktionsgenerator 100 an einem Objekt, beispielsweise einer Wand befestigt werden. Dazu können geeignete Fixierelemente, beispielsweise Schrauben verwendet werden. Während der Schwingung der Spule 108 bewegt sich diese, während sich die Trägerstruktur 102, das Magnetsys- tem sowie der durch das Magnetsystem bewirkte Magnetkreis in Ruhe befinden. Ist der Induktionsgenerator 100 an einem Objekt befestigt, so führt die Spule 108 während der Schwingung eine Bewegung aus, während sich die Trägerstruktur 102, das Magnetsystem und das Objekt in Ruhe befinden.
Fig. 1 B zeigt eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators 100 aus Fig. 1 A entlang einer Linie B-B in Fig. 1 A, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Darstellung ist insbesondere ein bereits erwähntes Magnetsystem 128 des Induktionsgenerators 100 und dessen Platzierung bezüglich der Spule 108 gut zu identifizieren. Das Magnetsystem 128 setzt sich aus der Rückflussplatte 106 und einem dieser gegenüber liegenden Permanentmagneten 130 zusammen. Der Permanentmagnet 130 wird hier durch ein erstes Permanentmagnetelement 132, ein zweites Permanentmagnetelement 134, und eine das erste Permanentmagnetelement 132 mit dem zweiten Permanentmagnetelement 134 koppelnde Verbindungsplatte 136 gebildet. Das erste Permanentmagnetelement 132 ist mit seinem Nordpol und das zweite Permanentmagnetelement 134 mit seinem Südpol mit der metallischen Verbindungsplatte 136 kontaktiert, sodass das gesamte Ensemble einen u-förmigen Permanentmagneten 130 bildet, bei dem das erste Permanentmagnetelement 132 den ersten Pol, das zweite Permanentmagnetelement 134 den zweiten Pol und die Verbindungsplatte 136 das Joch bildet. Das Magnetsystem 128 bildet ein durch eine Mehrzahl von Pfeilen gekennzeichnetes Dauermagnetfeld 138. In der Darstellung in Fig. 1 B strömt ein magnetischer Fluss des Dauermagnetfelds 138 gegen den Uhrzeigersinn. In einem zwischen dem Permanentmagneten 130 und der Rückflussplatte 106 befindlichen Luftspalt 140 ist die Spule 108 mittels der ersten Flachbiegefeder 1 14 und der zweiten Flachbiegefeder 1 1 6 in dem Dauermagnetfeld 138 bewegbar gelagert, sodass sie nach einer Auslenkung durch das Betätigungselement in einer durch waagerechte Pfeile in der Darstellung in Fig. 1 B gekennzeichneten Relativbewegung 142 oszillieren kann.
Wie die Darstellung in Fig. 1 B verdeutlicht, ist das Magnetsystem 128 statisch aufgebaut. Es besteht im Wesentlichen aus den zwei Permanentmagnetelementen 132, 134, die auf einer Seite mit dem Rückflusseisen bzw. der Verbindungsplatte 136 ohne Luftspalt magnetisch gekoppelt sind, und dem zweiten Rückflusseisen bzw. der Rückflussplatte 106 und ist durch den Luftspalt 140 magnetisch geschlossen. In dem Luftspalt 140 werden somit zwei konstante, gegenläufig gerichtete Magnetfelder bzw. Magnetflussströme erzeugt. In dem Luftspalt 140 befindet sich die leichte, flache viereckige Wicklung der Spule 108 ohne Eisenkern. Die Spule 108 ist beweglich gelagert und kann die Relativbewegung 142 entlang des Luftspaltes 140 absolvieren.
Fig. 1 C zeigt den Induktionsgenerator 100 aus Fig. 1 A in einer perspektivischen Darstellung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier ist die durch das Federelement 104 bereitgestellte Lagerung für die Spule 108 anschaulich dokumentiert. Wie die Illustration zeigt, besteht hier die Lagerung aus den zwei Flachbiegefedern 1 14, 1 16, die zueinander parallel verlaufend angeordnet sind. An dem einen Ende 1 18 des Federelements 104 sind beide Federenden im Gehäuse bzw. in der Trägerstruktur 102 fixiert und am weiteren Ende 120 an dem Spulenkörper bzw. der Spulenfassung 1 10. Dank einer solchen Anordnung in Form eines Parallelogramms können sich die erste Feder 1 14 und die zweite Feder 1 16 in mittels der Pfeile gekennzeichneten Richtungen 142A, 142B parallel verformen, sodass die Spule 108 in einer quasi Parallelbewegung die Relativbewegung der Oszillation absolvieren und somit einen sehr guten Schwingkörper bilden kann. Ein wesentlicher Vorteil an dieser Konzeption ist, dass mechanische Verluste nur aus einer inneren Reibung in den Federn 1 14, 1 16 - die als fast vernachlässigbar angesehen werden kann - und aus einem Luftwiderstand während der Oszillationsbewegung der Spule 108 bestehen. Dazu addieren sich noch elektrische Widerstandsverluste in der Spule 108, die jedoch bei jeder Art von Generator anfallen. Da die erste Flachfeder 1 14 und die zweite Flachfeder 1 1 6 zueinander elektrisch isoliert sind, können sie gleichzeitig für Stromabnahmezwecke bzw. für einen elektrischen Anschluss der Spule 108 verwendet werden. Enddrähte der Spule 108 können sowohl direkt als auch indirekt mittels Zusatzkontaktstiften an die weiteren Federenden 120 kontaktiert werden. Die Federenden des ersten Endbereichs 1 18 können als Federkontakte ein- oder beidseitig ausgeführt sein und die Kontaktierung an ein beliebiges Elektronikmodul extrem einfach und kostengünstig ermöglichen. Fig. 1 D zeigt den Induktionsgenerator 100 aus Fig. 1 A in einer Explosionsdarstellung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier ist das als„Feder-Parallelogramm" ausgeführte Federelement 104 gut zu erkennen. Die Lagerung der Spule 108 mittels des„Feder-Parallelogramms" 104 ist zwar vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Spule 108 kann z. B. auch mittels einer einfachen Blattfeder oder Membrane schwingend gelagert werden. Es ist auch eine einfache Drehlagerung oder eine lineare Lagerung in der Kombination mit Dreh-, Zugoder Druckfedern möglich. Zur Stromabnahme können dabei die Federelemente 1 14, 1 1 6, flexible Folien, Schleifkontakte oder Drähte verwendet werden.
Im Folgenden wird auf eine Funktionsweise des in den Figuren 1 A bis 1 D gezeigten Induktionsgenerators 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingegangen.
Zur Betätigung des Generators 100 wird die Betätigungszunge 124 des Spulenkörpers 1 10 von einem Betätiger erfasst, in eine der beiden Richtungen 142A, 142B bis auf einen bestimmten Weg oder zu einer bestimmten Kraft ausgelenkt und schlagartig freigelassen. Die Spule 108 beginnt im konstanten Magnetfeld 138 zu schwingen, und es wird nach dem Lorentz-Gesetz elektrische Energie in dieser induziert, welche durch die beiden Schwing-Kontaktfedern bzw. Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 zur Versorgung eines Sendemodules abgenommen wird. Bedingt durch die Gegeninduktion nimmt eine Schwingamplitude der Spule 108 abhängig von einer Verbraucherleistung ab, bis der Spulenkörper 1 10 zu Ruhe kommt. Durch eine Federkonstante des Federelements 104 und ein Gewicht der Spule 108 lässt sich die Impulslänge steuern. Verluste setzen sich hier im Wesentlichen aus dem Luftwiderstand während dem Oszillieren und Widerstandsverlusten in der Kupferwicklung der Spule 108 zusammen. Mit diesem Konzept erzielbare Wirkungsgrade liegen zwischen 65 und 80 %. Der Eisenkreis des Magnetsystems 128 des Energiewandlers 100 wird im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen nur in einem Teilbereich der Magnethysterese genutzt und stellt somit keine hohe Ansprüche an die magnetischen Eigenschaften und senkt die Systemkosten erheblich. Der Induktionsgenerator 100 erzeugt einen Wechselstrom. Es ist möglich, die Polarität z. B. des ersten Halbsinus zu messen und für die Richtungserkennung zu nutzen. Somit kann z. B. ein„An"- und ein„Aus' -Signal generiert und versendet werden, in Abhängigkeit von der Betätigungsrichtung des Generators 100, und zwar ohne zusätzliche Kodier- Kontakte.
Wie bereits erwähnt und die nachfolgenden Figuren zeigen, kann das Magnetsystem 128 des Energiewandlers 100 auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein.
Die Figuren 2A und 2B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Induktionsgenerators 100.
Fig. 2A zeigt den exemplarischen Induktionsgenerator 100 in einer Draufsicht. Es zeigt sich, dass die Oberseite dieses Ausführungsbeispiels des Induktionsgenerators 100 dem des in Fig. 1 A gezeigten größtenteils entspricht, mit dem Unterschied, dass der in Fig. 2A gezeigte Induktionsgenerator 100 schmaler ausgeführt ist und die Stromabnehmer 1 12 die Rückflussplatte 106 nicht überlappen.
Unterschiede zwischen dem in den Figuren 1 A bis 1 D und dem in den Figuren 2A und 2B gezeigten Induktionsgenerator 100 werden insbesondere bei Betrachtung der Querschnittsansicht in Fig. 2B deutlich. Hier wird der Permanentmagnet 130 lediglich durch einen einzigen Magneten gebildet, dessen Ausrichtung im Gegensatz zu dem anderen Ausführungsbeispiel parallel zu der Wicklung der Spule 108 verläuft und der zwei Polschuhe 200 aufweist. Der Magnetkreis 128 ist hier mit einem größeren Magneten 130 mit den zwei Polschuhen 200 auf jeder Seite ausgestattet. Die Rückschluss- bzw. Rückflussplatte 106 ist wiederum durch den Luftspalt 140 vom Rest des Magnetsystems 128 örtlich getrennt angeordnet. Mit der hier gezeigten Bauform lässt sich die Flussdichte des magnetischen Flusses des Dauermagnetfelds 138 an den Polflächen des Permanentmagneten 130 deutlich erhöhen. Die Flussdichte berechnet sich aus dem Verhältnis zwischen den Polflächen des Magneten 130 und den Polflächen der Polschuhe 200.
Figuren 3A und 3B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Induktionsgenerators 100. In der Draufsicht entspricht das in Fig. 3A gezeigte Ausführungsbeispiel des Induktionsgenerators 100 dem in Fig. 1 A gezeigten, mit dem Unterschied, dass bei dem Induktionsgenerator 100 in Fig. 3A die Rückflussplatte 106 oberhalb der Stromabnehmer 1 12 angeordnet ist.
Die Querschnittsansicht in Fig. 3B offenbart, dass im Gegensatz zu den anderen Ausführungsbeispielen der hier gezeigte Induktionsgenerator 100 zusätzlich über ein drittes Permanentmagnetelement 300 und ein viertes Permanentmagnetelement 302, verfügt, die in Kombination mit der Rückflussplatte 106 einen weiteren Permanentmagneten 304 bilden. Der weitere Permanentmagnet 304 liegt durch den Luftspalt 140 getrennt dem Permanentmagneten 130 spiegelbildlich gegenüber und bildet mit diesem gemeinsam das Magnetsystem 128.
Fig. 4 zeigt in einer Querschnittsansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Induktionsgenerators 100. Der Magnetkreis 128 wird auch hier durch den Permanentmagneten 130 und den weiteren Permanentmagneten 304 gebildet, wobei hier jedoch zwei Rückflussplatten 106 zum Einsatz kommen, die in einer U-Form gebogen sind. Das Dauermagnetfeld 138 teilt sich entsprechend hier in einen ersten Magnetflussstrom 400 und einen zweiten Magnetflussstrom 402. Die Spule 108 ist in dem hier durch die U-Form der Rückflussplatten 106 gebildeten Luftspalt 140 angeordnet, sodass eine erste Wicklungshälfte 404 der Spule dem ersten Magnetflussstrom 400 ausgesetzt ist und eine zweite Wicklungshälfte 406 der Spule 108 dem zweiten Magnetflussstrom 402 ausgesetzt ist. Insbesondere in Fig. 4 ausgewählte Bauform ermöglicht eine leichte Verkapselung des Generators 100, falls z. B. eine staub- oder wasserdichte Ausführung gewünscht ist.
Es sind natürlich neben den in den Figuren gezeigten auch weitere Aufbauten des Magnetsystems 128 möglich. Wichtig ist, dass die Wicklungshälften 404, 406 der Spule 108 in einem möglichst starken Magnetfeld 138 oszillieren können. Das bewegliche Schwingsystem des Induktionsgenerators 100 ist sehr kompakt und leicht ausgeführt. Dabei kann die Spule 108 nur bei sehr starken Vibrationen von außen in ungewollte Schwingungen geraten. Um eine Erzeugung von„falschen" Funksignalen zu verhindern, kann der Schwingkörper bzw. die Spule 108 ein einem Schalterge- häuse durch den Betätiger in Ruhe- und Endstellung blockiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die induzierte Spannung zu messen und nur einen Spannungsanstieg über einen bestimmten Level als ein Schaltsignal zu werten.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 500 zum Generieren eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines Induktionsgenerators. Das Verfahren 500 kann in Verbindung mit einem Induktionsgenerator, wie er anhand der vorhergehenden oder nachfolgenden Figuren 1 A bis 4 ausführlich erläutert ist, vorteilhaft ausgeführt werden. In einem Schritt 502 wird durch Betätigen eines Betätigungselements des Induktionsgenerators eine mittels eines Federelements bewegbar gelagerte Spule um ein vorbestimmtes Maß oder mit einer vorbestimmten Kraft ausgelenkt. Infolgedessen führt die Spule eine Oszillationsbewegung quer zu einem magnetischen Fluss eines in dem Induktionsgenerator bestehenden Dauermagnetfelds aus. In einem Schritt 504 wird mittels einer auf der Oszillationsbewegung der Spule basierenden elektromagnetischen Induktion ein elektrischer Strom in einer Wicklung der Spule induziert. Über geeignete Kontakte wird der elektrische Strom zum Betrieb beispielsweise eines autarken Funkschalters abgegriffen.
Fig. 6 zeigt in einer Draufsicht einen Induktionsgenerator 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Induktionsgenerator 100 weist eine Trägerstruktur 102, eine erste Rückflussplatte 106 und eine zweite Rückflussplatte 606 auf. Die Rückflussplatten 106, 606 sind fix mit der Trägerstruktur 102 verbunden. Eine von einer Spulenfassung 1 10 getragene Spule 108 ist mittels einem sich aus einer ersten Flachbiegefeder 1 14 und einer zweiten Flachbiegefeder 1 1 6 zusammensetzenden Federelement beweglich gegenüber der Trägerstruktur 102 und den Rückflussplatten 106, 606 gelagert. Die Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Induktionsgenerators 100 angeordnet. Die Rückflussplatten 106, 606 sind zwischen den Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 angeordnet. Die Anordnung aus der Trägerstruktur 102 und den Rückflussplatten 106, 606 wird durch eine Klammer 650 zusammengehalten. Die Klammer 650 ist mittig zwischen den Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 angeordnet. Über die Trägerstruktur 102 kann der Induktionsgenerator 100 an einem Objekt, beispielsweise einer Wand befestigt werden. Dazu können geeignete Fixierelemente, beispielsweise Schrauben verwendet werden. Wenn die Spule 108 im Betrieb des Induktionsgenerators 100 eine Oszillationsbewegung ausführt, befindet sich die Trägerstruktur 102 und die Rückflussplatten 106, 606 in Ruhe.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht des Induktionsgenerators 100 aus Fig. 6, entlang einer in Fig. 6 gezeigten Linie D-D gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Darstellung sind die Trägerstruktur 102, die Rückflussplatten 106, 606, die Klammer 650 und die von der Spulenfassung 1 10 getragene Spule 108 zu erkennen. Zwischen den Rückflussplatten 106, 606 ist ein Permanentmagnet 130 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Permanentmagnet 130 zwei optionale Polschuhe 200, 700 auf. Ein gezeigter freier Endabschnitt der Flachbiegefeder 1 1 6 kann als elektrischer Kontakt zur elektrischen Kon- taktierung der Spule 108 genutzt werden.
Der Permanentmagnet 130 ist zwischen den Polschuhen 200, 700 angeordnet. Der Permanentmagnet 130 weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die Polschuhe 200, 700 sind plattenförmig ausgeführt und liegen an dem Permanentmagneten 130 an einander gegenüberliegenden Seiten an. Die Polschuhe 200, 700 bilden Polabschnitte des Permanentmagneten 130 aus. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel fungiert der erste Polschuh 200 als Südpol und der zweite Polschuh 700 als Nordpol.
Ein Mittelabschnitt der ersten Rückflussplatte 106 liegt auf einer dem Permanentmagneten 130 abgewandten Oberfläche des ersten Polschuhs 200 auf. Der erste Polschuh 200 weist eine, beispielsweise mittig angeordnete Erhöhung auf, die in ein Durchgangsloch der ersten Rückflussplatte 106 eingreift. Dadurch kann ein Verrutschen des ersten Polschuhs 200 gegenüber der ersten Rückflussplatte 106 vermieden werden. An gegenüberliegenden Enden des Mittelabschnitts der ersten Rückflussplatte 106 grenzen ein kurzer abgewinkelter Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 und ein langer abgewinkelter Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 an. Der kurze und der lange abgewinkelte Abschnitt sind in die gleiche Richtung ausgerichtet, hier nach unten, sodass die erste Rückflussplatte 106 in etwa U-förmig ausgeformt ist. Die abgewinkelten Abschnitte sind gegenüber dem Mittelabschnitt der ersten Rückflussplatte 106 jeweils in etwa rechtwinklig und zu dem Permanentmagneten 130 hin abgewinkelt. Der Mittelabschnitt der ersten Rückflussplatte 106 endet aufseiten des kurzen abgewinkelten Abschnitts am Rand des ersten Polschuhs 200, erstreckt sich aufseiten des langen abgewinkelten Bereichs jedoch über den gegenüberliegenden Rand des ersten Polschuhs 200 hinaus. Der kurze abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106, hier links angeordnet, erstreckt sich entlang eines Rands des ersten Polschuhs 200 und etwas über einen Rand des Permanentmagneten 130. Der kurze abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 kann an dem Rand des ersten Polschuhs und an dem Rand des Permanentmagneten 130 anliegen. Der lange abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106, hier rechts angeordnet, erstreckt sich entlang eines Rands des ersten Polschuhs 200, den Rand des Permanentmagneten 130 und den Rand des zweiten Polschuhs 700. Dabei weist der lange abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 aufgrund des Überstands des Mittelabschnitts über den Rand des ersten Polschuhs 200 einen Abstand zu den Polschuhen 200, 700 und dem Permanentmagneten 130 auf.
Ein Mittelabschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 liegt auf einer dem Permanentmagneten 130 abgewandten Oberfläche des zweiten Polschuhs 700 auf. Der zweite Polschuh 700 weist eine, beispielsweise mittig angeordnete Erhöhung auf, die in ein Durchgangsloch der zweiten Rückflussplatte 606 eingreift. Dadurch kann ein Verrutschen des zweiten Polschuhs 700 gegenüber der zweiten Rückflussplatte 606 vermieden werden. An gegenüberliegenden Enden des Mittelabschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 grenzen ein kurzer abgewinkelter Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 und ein langer abgewinkelter Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 an. Der kurze und der lange abgewinkelte Abschnitt zeigen in die gleiche Richtung, hier nach oben, sodass die zweite Rückflussplatte 606 in etwa U-förmig ausgeformt ist. Die abgewinkelten Abschnitte sind gegenüber dem Mittelabschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 jeweils in etwa rechtwinklig und zu dem Permanentmagneten 130 hin abgewinkelt. Der Mittelabschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 endet aufseiten des kurzen abgewinkelten Abschnitts am Rand des zweiten Pol- schuhs 700, erstreckt sich aufseiten des langen abgewinkelten Abschnitts jedoch über den Rand des zweiten Polschuhs 700 hinaus. Der kurze abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606, hier rechts angeordnet, erstreckt sich entlang eines Rands des zweiten Polschuhs 700 und etwas über einen Rand des Permanentmagneten 130. Der kurze abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 kann an dem Rand des zweiten Polschuhs 700 und an dem Rand des Permanentmagneten 130 anliegen. Der lange abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606, hier links angeordnet, erstreckt sich entlang eines Rands des zweiten Polschuhs 700, den Rand des Permanentmagneten 130 und den Rand des ersten Polschuhs 200. Dabei weist der lange abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 aufgrund des Überstands des Mittelabschnitts über den Rand des zweiten Polschuhs 700 einen Abstand zu den Polschuhen 200, 700 und dem Permanentmagneten 130 auf.
Der kurze abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 ist auf der gleichen Seite des Induktionsgenerators 100 angeordnet, wie der lange abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606. Der kurze abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 und der lange abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 überlappen sich teilweise. Der lange abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 erstreckt sich in etwa bis auf Höhe einer von dem ersten Polschuh 200 abgewandten Oberfläche des Mittelabschnitts der ersten Rückflussplatte 106. Sich überlappende Bereiche des kurzen abgewinkelten Abschnitts der ersten Rückflussplatte 106 und des langen abgewinkelten Abschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 sind durch einen ersten Luftspalt 140 voneinander getrennt. Ein erster Abschnitt der Spule 108 ist in dem ersten Luftspalt 140 angeordnet. Dem Luftspalt 140 zugewandte Oberflächen des kurzen abgewinkelten Abschnitts der ersten Rückflussplatte 106 und des langen abgewinkelten Abschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 weisen jeweils eine Krümmung auf, die an einen Bewegungsradius des ersten Abschnitts der Spule 108 innerhalb des ersten Luftspalts 140 angepasst ist. Das von dem Permanentmagneten 130 erzeugte Dauermagnetfeld quert den Luftspalt 140. Die Bewegung des ersten Abschnitts der Spule 108 innerhalb des ersten Luftspalts 140 erfolgt annähernd senkrecht zu den Magnetfeldlinien des den Luftspalt 140 querenden Dauermagnetfelds. Der lange abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 ist auf der gleichen Seite des Induktionsgenerators 100 angeordnet, wie der kurze abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606. Der lange abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 und der kurze abgewinkelte Abschnitt der zweiten Rückflussplatte 606 überlappen sich teilweise. Der lange abgewinkelte Abschnitt der ersten Rückflussplatte 106 erstreckt sich in etwa bis auf Höhe einer von dem zweiten Polschuh 700 abgewandten Oberfläche des Mittelabschnitts der zweiten Rückflussplatte 606. Sich überlappende Bereiche des langen abgewinkelten Abschnitts der ersten Rückflussplatte 106 und des kurzen abgewinkelten Abschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 sind durch einen zweiten Luftspalt 740 voneinander getrennt. Ein dem ersten Abschnitt gegenüberliegender zweiter Abschnitt der Spule 108 ist in dem zweiten Luftspalt 740 angeordnet. Dem zweiten Luftspalt 740 zugewandte Oberflächen des langen abgewinkelten Abschnitts der ersten Rückflussplatte 106 und des kurzen abgewinkelten Abschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 weisen jeweils eine Krümmung auf, die an einen Bewegungsradius des zweiten Abschnitts der Spule 108 innerhalb des zweiten Luftspalts 740 angepasst ist. Das von dem Permanentmagneten 130 erzeugte Dauermagnetfeld durchquert den zweiten Luftspalt 740. Die Bewegung des zweiten Abschnitts der Spule 108 innerhalb des zweiten Luftspalts 740 erfolgt annähernd senkrecht zu den Magnetfeldlinien des den zweiten Luftspalt 740 durchquerenden Dauermagnetfelds.
Die Trägerstruktur 102 liegt flächig auf einer dem ersten Polschuh 200 abgewandten Oberfläche der ersten Rückflussplatte 106 an. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Trägerstruktur 102 einen Fortsatz auf, der in eine Durchgangsöffnung der ersten Rückflussplatte 106 eingreift. Die Klammer 650 erstreckt sich entlang einer äußeren Oberfläche der Trägerstruktur 102 sowie entlang einer äußeren Oberfläche der zweiten Rückflussplatte 606 und greift mit einem ersten Haken in eine dem Fortsatz der Trägerstruktur 102 gegenüberliegende Vertiefung der Trägerstruktur 102 und mit einem zweiten Haken in die Aussparung der zweiten Rückflussplatte 606 ein.
Die Spulenfassung 1 10 ist als ein rechteckförmiger Ring mit einer äußeren umlaufenden Nut ausgeführt. In der Nut ist die Spule 108 bildende Wicklung oder die die Spule 108 bildenden Wicklungen angeordnet. Durch die umlaufende Nut wird die Wicklungsebene der Spule 108 aufgespannt. Der Permanentmagnet 130 ist innerhalb eines von der Spulenfassung 1 10 umschlossenen Innenraums der Spulenfassung 1 10 angeordnet. Die Drehachse der Spule 108 verläuft durch die Wicklungsebene der Spule 108 sowie quer durch den Permanentmagneten 130.
In Fig. 7 ist die Spule 108 in Ruhestellung gezeigt. In der Ruhestellung ist eine orthogonal zu einer Wicklungsebene der Spule 108 stehende Mittelachse der Spule 108 leicht gegenüber einer zwischen den Polen des Permanentmagneten 130 verlaufenden Mittelachse des Permanentmagneten 130 geneigt. Die Spule 108 ist um eine Drehachse drehbar gegenüber dem Permanentmagneten 130 gelagert. Die Drehachse verläuft gemäß diesem Ausführungsbeispiel parallel zu den Kantenverläufen der abgewinkelten Abschnitte der Rückflussplatten 106, 606. Ausgehend von der Ruhestellung kann die Spule 108 in beide Drehrichtungen um die Drehachse ausgelenkt werden, wodurch aufgrund des Dauermagnetfelds jeweils ein Strom in die Wicklung oder die Wicklungen der Spule 108 induziert wird.
Fig. 8 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Induktionsgenerators 100 aus Fig. 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Spule 108 ist in einer ersten ausgelenkten Stellung gezeigt. Um von der in Fig. 7 gezeigten Ruhestellung in die in Fig. 8 gezeigte erste ausgelenkte Stellung zu gelangen, wurde der sich im ersten Luftspalt 140 befindliche erste Abschnitt der Spule 108 in Richtung des Mittelabschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 und der sich im zweiten Luftspalt 740 befindliche zweite Abschnitt der Spule 108 in Richtung des Mittelabschnitts der ersten Rückflussplatte 106 bewegt. Ausgehend von der gezeigten ersten ausgelenkten Stellung kann die Spule 108 eine Oszillationsbewegung beginnen, deren Anfangsbewegungsrichtung durch Pfeile angedeutet ist. Der Induktionsgenerator 100 kann ein Betätigungselement aufweisen, das mit der Spulenfassung 1 10 verbunden ist. Durch eine erfolgte Betätigung des Betätigungselements kann die Spule 108 in die erste ausgelenkte Stellung bewegt worden sein. Dabei wurden die Flachbiegefedern 1 1 6, von denen die Spule getragen wird, gespannt. Fig. 9 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Induktionsgenerators 100 aus Fig. 7 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Spule 108 ist in einer zweiten ausgelenkten Stellung gezeigt. Um von der in Fig. 7 gezeigten Ruhestellung in die in Fig. 9 gezeigte zweite ausgelenkte Stellung zu gelangen, wurde der sich im ersten Luftspalt 140 befindliche erste Abschnitt der Spule 108 in Richtung des Mittelabschnitts der ersten Rückflussplatte 106 und der sich im zweiten Luftspalt 740 befindliche zweite Abschnitt der Spule 108 in Richtung des Mittelabschnitts der zweiten Rückflussplatte 606 bewegt. Ausgehend von der gezeigten zweiten ausgelenkten Stellung kann die Spule 108 eine Oszillationsbewegung beginnen, deren Anfangsbewegungsrichtung durch Pfeile angedeutet ist. Durch eine, im Vergleich zu der in Fig. 8 beschrieben Betätigung entgegengesetzten Betätigung des Betätigungselements, kann die Spule 108 in die zweite ausgelenkte Stellung bewegt worden sein. Dabei werden die Flachbiegefedern 1 1 6, von denen die Spule getragen wird, gespannt.
Ausgehend von der in Fig. 8 oder der in Fig. 9 gezeigten ausgelenkten Stellung kann die Spule 108 angetrieben durch die Flachbiegefedern 1 1 6 eine Oszillationsbewegung ausführen, die alternierend in die in den Figuren 8 und 9 durch Pfeile angedeuteten Bewegungsrichtungen verläuft.
Fig. 10 zeigt den Induktionsgenerator 100 aus Fig. 6 in einer Explosionsdarstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Permanentmagnet 130 und die Polschuhe 200, 700 sind jeweils als recht- eckförmige Platten ausgeführt. Die Spule 108 weist eine rechteckförmige Querschnittsfläche auf. Die Spulenfassung 1 10 ist als ein umlaufender Ring ausgeführt, innerhalb dessen der Permanentmagnet 130 und die Polschuhe 200, 700 angeordnet werden können.
Die Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 sind jeweils U-förmig ausgeführt. Die Trägerstruktur 102 und die Spulenfassung 1 10 weisen schlitzförmige Aufnahmeelemente 1061 , 1062 auf, in die Abschnitte der Flachbiegefedern 1 14, 1 16 eingeführt werden können, um die Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 zum einen an der Trägerstruktur 102 und zum anderen an der Spulenfassung 1 10 zu fixieren. In Fig. 10 sind dabei lediglich die Aufnahmeelemente 1061 , 1062 für die Flachbiegefeder 1 14 zu erkennen. Die Aufnahmeelemente für die Flachbiegefeder 1 1 6 sind korrespondierend zu den gezeigten Aufnahmeelementen 1061 , 1062 ausgeführt. Die freien Enden der Flachbiegefeder 1 14 weisen im montierten Zustand in entgegengesetzte Richtungen wie die freien Enden der Flachbiegefeder 1 1 6. Die Spule 108 kann über die Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6 elektrisch kontaktiert werden.
Die Trägerstruktur 102 weist eine im montierten Zustand parallel zu dem Mittelabschnitt der ersten Rückflussplatte 106 angeordnete Grundplatte und zwei rechtwinklig von der Grundplatte abstehende Seitenwände auf, die im montierten Zustand seitliche Führungen für die Rückflussplatten 106, 606 und optional für die Polschuhe 200, 700 und den Permanentmagneten 130 bilden. Die Seitenwände sind im montierten Zustand innerhalb der Spulenfassung 1 10 geführt. Die Seitenwände weisen Durchgangsöffnungen 1071 , 1072 zur Aufnahme von als Drehwelle fungierenden Zapfen 1074 der Spulenfassung 1 10 auf. Die Drehachse der Spule 108 verläuft durch die Durchgangsöffnungen 1071 , 1072.
An der Spulenfassung 1 10 ist ein Betätigungselement 1080 angeordnet, über das die Spule 108 aus ihrer Ruhestellung heraus, gegen Rückstellkräfte der Flachbiegefedern 1 14, 1 1 6, ausgelenkt werden kann.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Spule 108 mittels einer Achse drehgelagert und ist ausgebildet, um im Betrieb des Induktionsgenerators 100 um die Achse herum zu oszillieren. Das Magnetsystem des Induktionsgenerators 100 ist mit dem Magnet 130 aufgebaut. Die Zwischenpolschuhe 200, 700, die hier als flacher Eisenvierkant ausgeführt sind, sind als Platzhalter vorgesehen, um Volumen des Magnetes 130 zu sparen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Generator 100 mit einem kostengünstigen Hartferritmagnet als Permanentmagnet 130 bestückt werden. In dem Fall können die Zwischenpolschuhe 200, 700 entfallen.
Fig. 1 1 zeigt den Induktionsgenerator 100 aus Fig. 10 im montierten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zu erkennen ist die Flachbiegefeder 1 14, deren erstes Ende in das Aufnahmeelement 1062 der Spulenfassung 1 10 eingesteckt ist und deren dem ersten Ende gegenüberliegender Endabschnitt durch das Aufnahmeelement 1061 der Trägerstruktur 102 geführt ist, sodass das zweite Ende der Flachbiegefeder 1 14 frei stehend ist und als elektrischer Kontakt genutzt werden kann.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 Induktionsgenerator
102 Trägerstruktur
104 Federelement
106 Rückflussplatte
108 Spule
110 Spulenfassung
112 Stromabnehmer
114 erste Flachbiegefeder
116 zweite Flachbiegefeder
118 Ende des Federelements
120 weiteres Ende des Federelements
122 Fortsatz der Spulenfassung
124 Betätigungselement
126 Kontaktelement
128 agnetsystem
130 Permanentmagnet
132 erstes Permanentmagnetelement
134 zweites Permanentmagnetelement
136 Verbindungsplatte
138 Dauermagnetfeld
140 Luftspalt
142A Federbewegungsrichtung
142B Federbewegungsrichtung
200 Polschuh
300 drittes Permanentmagnetelement
302 viertes Permanentmagnetelement
304 weiterer Permanentmagnet
400 ersten Magnetflussstrom
402 zweiter Magnetflussstrom
404 erste Wicklungshälfte der Spule
406 zweite Wicklungshälfte der Spule 500 Verfahren zum Generieren eines elektrischen Stroms
502 Schritt des Auslenkens
504 Schritt des Generierens
606 zweite Rückflussplatte
650 Klammer
700 zweiter Polschuh
740 zweiter Luftspalt
1061 Aufnahmeelement
1062 Aufnahmeelement
1071 Durchgangsöffnung
1072 Durchgangsöffnung
1074 Zapfen
1080 Betätigungselement

Claims

Patentansprüche
1 . Induktionsgenerator (100), mit zumindest einem Permanentmagneten (130; 304) zum Erzeugen eines Dauermagnetfelds (138), zumindest einer Rückflussplatte (106) zum Führen des Dauermagnetfelds (138), einer Spule (108) und einem Federelement (104), wobei der Permanentmagnet (130; 304) und zumindest ein Abschnitt der Rückflussplatte (106) durch einen von dem Dauermagnetfeld (138) durchdrungenen Luftspalt (140) voneinander getrennt sind, und wobei die Spule (108) mit dem Federelement (104) verbunden ist und zumindest ein Abschnitt der Spule (108) in dem Luftspalt (140) bewegbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (104) ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Auslenkung der Spule (108) eine Oszillationsbewegung zumindest des Abschnitts der Spule (108) in dem Luftspalt (140) quer zu einem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds (138) innerhalb des Luftspalts (140) zu bewirken.
2. Induktionsgenerator (100) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130; 304), die Rückflussplatte (106) und ein Ende des Federelements (104) an einer Trägerstruktur (102) des Induktionsgenerators (100) fix befestigt sind.
3. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130; 304) und die Rückflussplatte (106) durch den Luftspalt (140) voneinander getrennt sind, die Spule (108) in dem Luftspalt (140) bewegbar angeordnet ist und das Federelement (104) ausgebildet ist, um ansprechend auf die Auslenkung der Spule (108) die Oszillationsbewegung der Spule (108) in dem Luftspalt (140) quer zu dem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds (138) innerhalb des Luftspalts (140) zu bewirken.
4. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dauermagnetfeld (138) einen Magnetfeldkreis bildet, dessen magnetischer Fluss von einem ersten Pol des Permanentmagneten (130; 304) durch einen ersten Abschnitt des Luftspalts (140), durch die Rückflussplatte (106) und durch einen zweiten Abschnitt des Luftspalts (140) zu einem zweiten Pol des Permanentmagneten (130; 304) strömt, wobei eine erste Wicklungshälfte (404) der Spule (108) in dem ersten Abschnitt des Luftspalts (140) angeordnet ist und eine zweite Wicklungshälfte (406) der Spule (108) in dem zweiten Abschnitt des Luftspalts (140) angeordnet ist.
5. Induktionsgenerator (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelachse der Spule (108) parallel zu dem magnetischen Fluss in dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des Luftspalts (140) verläuft.
6. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionsgenerator (100) einen ersten Permanentmagneten (130) zum Erzeugen eines ersten Magnetflussstroms (400) des Dauermagnetfelds (138), eine erste Rückflussplatte (106) zum Führen des ersten Magnetflussstroms (400), einen zweiten Permanentmagneten (304) zum Erzeugen eines zweiten Magnetflussstroms (402) des Dauermagnetfelds (138) und eine zweite Rückflussplatte (106) zum Führen des zweiten Magnetflussstroms (402) aufweist, wobei der erste Magnetflussstrom (400) in einem ersten Magnetfeldkreis von einem ersten Pol des ersten Permanentmagneten (130) durch einen ersten Abschnitt des Luftspalts (140) und durch die erste Rückflussplatte (106) zu einem zweiten Pol des ersten Permanentmagneten (130) strömt und der zweite Magnetflussstrom (402) in einem zweiten Magnetfeldkreis von einem ersten Pol des zweiten Permanentmagneten (304) durch die zweite Rückflussplatte (106) und durch einen zweiten Abschnitt des Luftspalts (140) zu einem zweiten Pol des zweiten Permanentmagneten (304) strömt, und wobei eine erste Wicklungshälfte (404) der Spule (108) in dem ersten Abschnitt des Luftspalts (140) angeordnet ist und eine zweite Wicklungshälfte (406) der Spule (108) in dem zweiten Abschnitt des Luftspalts (140) angeordnet ist.
7. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Permanentmagnet (130) innerhalb der Spule (108) angeordnet ist.
8. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 , 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (108) um eine durch eine Wicklungsebene der Spule (108) verlaufende Drehachse drehbar gelagert ist, um die Oszillationsbewegung ausführen zu können.
9. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 1 , 2, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine an einem ersten Polabschnitt (200) des Permanentmagneten (130) anliegende erste Rückflussplatte (106) und eine an einem zweiten Polabschnitt (700) des Permanentmagneten (130) anliegende zweite Rückflussplatte (606) vorgesehen sind, wobei die erste Rückflussplatte (106) einen sich entlang einer ersten Längsseite des Permanentmagneten (130) erstreckenden ersten abgewinkelten Abschnitt und die zweite Rückflussplatte (606) einen sich entlang einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite des Permanentmagneten (130) erstreckenden zweiten abgewinkelten Abschnitt aufweist, wobei sich ein erster Luftspalt (140) zwischen dem ersten Polabschnitt (200) und dem ersten abgewinkelten Abschnitt und sich ein zweiter Luftspalt (740) zwischen dem zweiten Polabschnitt (700) und dem zweiten abgewinkelten Abschnitt befindet, wobei ein erster Abschnitt der Spule (108) in dem ersten Luftspalt (140) und ein zweiter Abschnitt der Spule (108) in dem zweiten Luftspalt (740) bewegbar angeordnet sind.
10. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (104) eine erste Flachbiegefeder (1 14) und eine zweite Flachbiegefeder (1 1 6) aufweist, zwischen denen die Spule (108) in dem Luftspalt (140) schwingend gelagert ist.
1 1 . Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (104) einen elektrischen Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Spule (108) repräsentiert.
12. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (108) kernlos ausgebildet ist.
13. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (108) von einer Spulenfassung (1 10) eingefasst ist. die mit einem dem Ende (1 18) des Federelements (104) gegenüberliegenden weiteren Ende (120) des Federelements (104) verbundenen ist.
14. Induktionsgenerator (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionsgenerator (100) eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Anfangspolarität einer aufgrund der Oszillationsbewegung von der Spule (108) bereitgestellten Wechselspannung aufweist.
15. Verfahren (500) zum Generieren eines elektrischen Stroms unter Verwendung eines Induktionsgenerators (100) mit zumindest einem Permanentmagneten (130; 304) zum Erzeugen eines Dauermagnetfelds (138), zumindest einer Rückflussplatte (106) zum Führen des Dauermagnetfelds (138), einer Spule (108) und einem Federelement (104), wobei der Permanentmagnet (130; 304) und zumindest ein Abschnitt der Rückflussplatte (106) durch einen von dem Dauermagnetfeld (138) durchdrungenen Luftspalt (140) voneinander getrennt sind, und wobei die Spule (108) mit dem Federelement (104) verbunden ist und zumindest ein Abschnitt der Spule (108) in dem Luftspalt (140) bewegbar angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Auslenken (502) der Spule (108), um eine Oszillationsbewegung zumindest des Abschnitts der Spule (108) in dem Luftspalt (140) quer zu einem magnetischen Fluss des Dauermagnetfelds (138) innerhalb des Luftspalts (140) zu bewirken; und
Generieren (504) des elektrischen Stroms in der Spule (108) mittels elektromagnetischer Induktion basierend auf der Oszillationsbewegung der Spule (108).
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