JP2020506663A - 電圧発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、移動磁場を電圧に変換するための電圧発生装置（１）に関し、この電圧発生装置は、回転可能や移動可動に取り付けられた本体（９）上に配置され、磁場（２３）を生成するための少なくとも１つの磁石（２１）を有する励磁ユニット（２）と、励磁ユニット（２）と機能的に協働し、磁場（２３）によって磁化され得る磁化ワイヤ（３１）を有する変換ユニット（３）と、変換ユニット（３）と機能的に協働し、変換ユニット（３）の周囲に配置された電気コイル（４１）を有する電力線ユニット（４）とを備え、前記電気コイルは、導電性の導電性ワイヤ（４２）を有する。磁化ワイヤ（３１）は、その断面上に硬磁性部（３２）と軟磁性部（３３）とを有し、支持体（３６）に巻回され、軸方向の張力を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、移動磁場を電圧に変換するための電圧発生装置に関する。

電圧発生装置は、少なくとも１つの磁石、特に永久磁石を備える励磁ユニットを備える。磁石は、磁場を生成するため、回転可能および／または移動可能に設けられた、例えばシャフトなどの本体上に配置される。ここで、磁場は、本体の移動に追従する。変換ユニットは、励磁ユニットと機能的に協働し、磁場によって磁化されるように適合された磁化ワイヤを備える。ここで、磁化ワイヤの磁化は、可動磁石の１つによって、即ち、磁場によって変化され、この時、少なくとも１つの磁場検出領域において、磁化ワイヤ内の磁束方向は、この磁場によって変化可能である。さらに、変換ユニットと機能的に協働すると共に、変換ユニットの周りに、特に磁化ワイヤの周りに配置された電気コイルを備えた電力線ユニットが備えられている。前記電気コイルは、導電性の導電性ワイヤを有する。ここで、磁化ワイヤの磁束方向の変化によって、電圧を導電性ワイヤ内に誘導させることができる。

上記のタイプの電圧発生装置は、特に、摩耗を受ける機械部品、および／または、例えばバッテリなどの摩耗しやすい化学エネルギー保存装置を必要とせずに、機械的移動から電気エネルギーを生成するために使用することができる。これにより、例えば、市販の部品を用いて電子回路に電力を供給することができる。このような構成では、エネルギーの生成は、機械的移動速度とはほとんど無関係である。

特に、シャフトの運動、特に回転移動を検出する回転角測定装置では、このような電圧発生装置を特に有利に使用することができる。この構成では、永久磁石は、ほとんどの場合、シャフト端部に配置され、磁化ワイヤは、導電性ワイヤと共に、磁石から軸方向に距離を隔てて配置される。この種の検出装置は、例えば、ＤＥ ２０ ２０１５ １０３ ８９３ Ｕ１から公知である。ここで、パルスワイヤの極反転や磁化の変化により、比較的低い電圧が、パルスワイヤの周囲に配置された誘導ワイヤ内に誘導される。生成された電圧は非常に低いので、シャフトの位置検出のための測定信号の短時間の転送およびその後の評価のためだけに使用される。

したがって、本発明の目的は、導電性ワイヤにおいて特に効率的な電圧誘導を得て、それによって、比較的大きく、且つさらなる目的のために使用することができる誘導電圧を得ることを可能にする電圧発生装置を提供することである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１に記載された特徴を有する電圧発生装置によって達成される。本発明の有利な実施形態および変更は、従属請求項、明細書および図面に提示される。

本発明によれば、磁化ワイヤは、その断面において、硬磁性部、好ましくはワイヤコアと、軟磁性部、好ましくはワイヤシースとを含む。硬磁性部は、比較的高い保磁力を有する材料領域として定義され、軟磁性部は、比較的低い保磁力を有する材料領域として定義される。この構成を用いて、例えば、バルクハウゼンジャンプを生成するほど極めて強い磁化の変化をもたらすことができる。磁化ワイヤは、支持体の周りに巻回され、軸方向引張応力を有する。この機械的引張応力は、ワイヤを支持体の周りに巻回するとき、および／または巻回した後に他の適切な手段によって生成させることができる。硬磁性部と軟磁性部とのバイオモルフィックな構造の結果として、２つの部分は、それぞれ異なる磁束方向を有することができる。特に、これらの部分の各々は、ワイヤの軸に沿って独自の極性を有することができる。これにより、臨界外部磁場強度を超えると、磁化ワイヤのバイオモルフィックな構造は、大きなバルクハウゼンジャンプの形式でワイヤ部分の磁化の急速な変化をもたらすことができる。この状況では、磁化ワイヤの２つの部分における磁束方向は、同じ方向に向けられている必要はなく、互いに逆向きであってもよい。実際には、２つの部分の磁束方向の向きは、相互に依存する関係にあり、特に、２つの部分の一方の磁束方向が変更されれば、他方の部分の磁束方向が同じ方向へと変更されることが可能であり、有利である。磁化の変化によってもたらされるような、比較的大きな磁気インパルス、即ち磁化ワイヤ内のパルスは、次に、磁化ワイヤの周囲にコイルとして配置された導電性ワイヤ内に電圧を誘導させる。磁化ワイヤ内の磁気パルスをさらに増やすために、本発明によれば、磁化ワイヤは、支持体の周りに巻回されて機械的引張応力の生成を伴う。磁化ワイヤを支持体の周りに巻回することは、複数の磁気的有効磁化ワイヤの部分、又はセグメントが「ワイヤ束」内に平行に配置されるという結果をもたらす。このようにして、移動する磁場によって個々の磁化ワイヤ内で誘導された個々のパルスの重ね合わせが生じ、その結果、全体として比較的大きな磁気パルスがトリガされる。さらに、磁化ワイヤ内に機械的引張応力を発生させることにより、磁化ワイヤの長手方向延長方向に、特に高速かつパルス状の磁化の変化を達成することが可能になり、その結果、比較的遅く且つその速度が変化する磁場の変化から、磁化の急激な変化が発生し、全体の磁化の急激な変化の結果として、比較的大きなパルスエネルギーが放出される。これは、磁気誘導の法則に従い、導電性ワイヤに特に大きな電圧を発生させることができる。このようにして生成された電圧は、電圧発生装置のそれぞれの設計サイズに応じて、例えば、装置全体の自己完結的な動作のために使用することができる。特に、電圧は、電子回路の動きの検出および／または電圧供給のために使用することができる。要約すると、本発明の電圧発生装置は、比較的簡単な技術的構成を使用することによって、運動エネルギーの電気エネルギーへの損失のない変換を可能にする。

好ましくは、磁化ワイヤは、硬磁性部と軟磁性部とが異なる磁化を有することができるように構成される。これにより、特に、２つの部分のうちの１つに磁束方向の突然の「折り返し」をもたらすことが可能となり、それにより、比較的大きなパルスが生成され、導電性ワイヤに比較的大きな電圧が誘導される。

好ましくは、磁化ワイヤは、外部磁場の変化がワイヤ軸に沿う硬磁性部の磁化の急激な変化および／または軟磁性部の磁化の急激な変化を引き起こすように構成される。特に、変化する適切な外部磁場が、最初に、軟磁性部の磁化の変化をトリガし、次に、さらに、外部磁場の方向における硬磁性部の磁化の変化をトリガすることができる。これにより、比較的大きな磁気パルスを磁化ワイヤに発生させることができ、これによって、導電性ワイヤに比較的大きな電圧を生じさせる。一般に、代替例として、ワイヤの一部分の磁束方向の変化の場合にも、他の部分の磁束方向が「引っ張られる」、すなわち、両方の部分の磁束方向が、連続的な方法で、一方の方向へと直接的に変化され得る。

好ましくは、磁化ワイヤは、その長手方向延長方向にねじられる。これにより、特に迅速かつ効果的な磁化の変化を、磁化ワイヤ内に、磁化ワイヤの長手方向延長方向に得ることができ、その結果、全体に亘るこの磁化の急激な変化の結果として、特に大きな電圧が導電性ワイヤ内に誘導される。

好ましくは、磁化ワイヤの巻回方向は、導電性ワイヤの巻回方向に対して垂直に向けられている。これにより、磁化ワイヤの周囲にコイルとして巻回された導電性ワイヤ内での誘導を、導電性ワイヤの部分に制限することができ、故に、導電性ワイヤ内での電圧の生成を増やすことができる。

好ましくは、磁化ワイヤは、磁化ワイヤが支持体に固定される２つの軸方向ワイヤ端部を含む。特に、専ら１本の磁化ワイヤが、支持体の周囲に複数回巻回されてもよい。磁化ワイヤの両端部を支持体に取り付けることにより、磁化ワイヤに作用する機械的引張応力を、比較的簡単な方法で、持続的に維持することができる。

好ましくは、磁化ワイヤは、材料結合によって、力固定によって、および／または形状固定によって互いに接続される２つの軸方向ワイヤ端部を備える。これにより、ワイヤを支持体に永続的に固定することができ、変換ユニットの比較的安価な製造を可能にする。

好ましくは、支持体は、プレート形状であり、磁化ワイヤは、支持体の長手方向延長方向に支持体の周りに巻回される。その結果、磁化ワイヤは、比較的広い面を覆うように支持体の周囲に巻回され、故に、磁化ワイヤは、ほぼ平行に配置され、比較的広い面を形成する。したがって、磁化ワイヤ、および、励磁ユニットに面する磁化ワイヤの実質的に面状のワイヤ部分は、特に効果的な方法で、移動する磁場による影響を受ける。特に、磁化ワイヤ内の磁束方向の変化は、プレート形状の支持体の周りに巻回された磁化ワイヤの、励磁ユニットに対向する面全体にわたって生じ、したがって、導電性ワイヤ内に比較的大きな電圧をもたらす、全体として比較的大きな磁気パルスが生成されることを可能にする。

好ましくは、支持体は、長手方向延長方向の長さが調節可能である。これにより、支持体の長さを、各用途毎に、すなわち、支持体の必要な長さ及び／または電気コイルのサイズ毎に、特に安価な方法で、個別に製造することができる。

特に好ましくは、支持体は、磁化ワイヤが支持体の周りに巻回された後にも、その長手方向延長方向の長さをそれぞれ調節可能であり、その長手方向延長方向の寸法を、増やしたり、および／または短くすることができるように構成される。これにより、磁化ワイヤを支持体に巻回した後も、磁化ワイヤに作用する機械的引張力を個別に調整することができる。したがって、励磁ユニットと変換ユニットとの間の協働は、個々の構成部品が取り付けられた後にも、個々に微調整することができ、したがって、この協働の、特に磁化の変化のトリガの最適な効率を達成することが可能になる。

好ましくは、支持体は、第１の支持体部と第２の支持体部とを含み、第１の支持体部と第２の支持体部との間に、２つの支持体部を互いに離すように付勢するための付勢部材が配置される。これにより、支持体は、その位置を特に簡単な方法で変更することができる。さらに、２つの支持体部の間での付勢力により、支持体は、磁化ワイヤに作用する機械的引張応力を、特に簡単な方法で補強することができる。

一般に、付勢部材は、任意の所望の様式で、例えば、相互に挿入または螺合によって確立されるべきチューブ接続の形態で構成される。好ましくは、付勢部材は、弾性ばねとして形成される。これにより、バイアス応力を永続的に維持することができ、さらに、例えば、変化する周囲温度によって引き起こされるような、支持体および磁化ワイヤの長さの自然に生じる変化を自動的に補償することができ、それにより、磁化ワイヤに作用する機械的引張応力を永続的に一定に保つことができる。

好ましくは、電気コイルの幅は、支持体の長さに実質的に相当する。したがって、電圧を誘導するために、コイルの最大可能幅を使用することができ、故に、導電性ワイヤ内での誘導効果が特に効果的であり、電圧発生装置は、特に好ましい。

好ましくは、導電性ワイヤは、電気エネルギーを保存する保存装置に接続される。それによって、誘導電圧は、最初に一時的に保存され、次に、後の時点で取り出すことができる。

本発明は、添付の図面を参照して、2つの好ましい実施形態によって以下により詳細に説明される。図面には、以下のものが概略的に示されている。

本発明による電圧発生装置の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１の電圧発生装置を示す横断面図である。 本発明による電圧発生装置の第２の実施形態を示す横断面図である。 磁化ワイヤの一実施形態を示す。

図１および図２の各々には、本発明による、可動磁場２３を電圧に変換するための電圧発生装置１の第１の実施形態が示されている。この目的のために、電圧発生装置１は、可動体９上に配置された励磁ユニット２と、励磁ユニット２と機能的に協働する固定変換ユニット３と、変換ユニット３と機能的に協働する電力線ユニット４とを備える。

ここで、励磁ユニット２は、シャフト９、例えば、図示しないモータの駆動シャフトに配置されている。励磁ユニット２は、磁場２３を発生させるための少なくとも１つの磁石２１を備えている。磁石２１は、Ｎ極とＳ極とを有し、シャフト９の端部側壁９１上に、特に中心に配置されている。もちろん、２つ以上の磁石２１をシャフト９上に配置することも可能である。端部側壁９１上に磁石２１を配置した結果として、この領域に磁場２３が発生し、シャフト９が回転されると、磁場はシャフトの移動に追従する。変換ユニット３は、端部側壁９１および磁石２１に対して軸方向にわずかな距離を置いて配置されている。

変換ユニット３は、固定されており、磁場２３によって磁化可能な磁化ワイヤ３１が巻かれた支持体３６を備えている。これにより、シャフト９、磁石２１、磁場２３が回転すると、磁化ワイヤ３１内の磁束方向を変化させることができる。

ここで、磁化ワイヤ３１は、図４に詳細に示すように、硬磁性金属コア３２と軟磁性金属スリーブ３３とを含む。硬磁性金属コア３２は、軟磁性金属スリーブ３３とは異なる磁束方向を有することができる。磁石２１により発生された磁気スリーブ３３により、磁化ワイヤ３１内において、磁束方向の反転が可能である。特に、このような磁束方向の反転は、シャフト９の回転により、磁場２３が、Ｎ極およびＳ極を有する磁化ワイヤ３１を通過すると直ちに生じる。また、磁束方向は、最初に外側の軟磁性金属スリーブ３３内で変化し、続いて、硬磁性コア３２内でも変化するようにすることもできる。もちろん、このプロセスは、逆の順序でも可能である。これにより、磁化ワイヤ３１内の磁束方向が変化する。これは、「バルクハウゼン効果（ジャンプ）」とも呼ばれる。この効果を強化するために、磁化ワイヤ３１は、その長手方向延長方向にねじれた構成に配置され、磁気引張応力を含むように構成されている。この目的のために、本発明によれば、磁化ワイヤ３１は、その２つの軸方向ワイヤ端部３４、３５によって支持体３６に固定されて、支持体３６の周りに特に複数回巻き付けられ、機械的引張応力を形成する。

支持体３６は、一般に、従来のコイルキャリアとして設計することができ、特に、１つの部品として形成されるとともにプレートとして形成される。支持体３６は、その周りに、好ましくは支持体３６の長手方向延長方向に巻回された磁化ワイヤ３１を有する。本願図面に示される支持体３６の実施形態では、支持体は、１つの部品として形成されず、２つの支持体部、すなわち、第１支持体部３６ａおよび第２支持体部３６ｂを含む。第１支持体部３６ａと第２支持体部３６ｂとの間には、２つの支持体部３６ａ，３６ｂを互いに連結する付勢部材３７が配置されている。付勢部材３７は、一般に、様々な形態で形成することができる。

図１および図２に示されるような電圧発生装置１の第１の実施形態では、付勢部材３７は、２つのロッド３７ａ、３７ｂによって形成されるロッドアセンブリとして構成され、２つのロッド３７ａ、３７ｂは、ねじ係合によって接続され得る。したがって、２つのロッド３７ａ、３７ｂを互いにねじ込むことによって、支持体３６の長さを変化させることができ、例えば磁化ワイヤ３１を付勢するために、付勢力を発生させて、２つの支持体部３６ａ、３６ｂに作用させることができる。これは、例えば、引張応力が無い状態で支持体３６の上に既に巻き付けられた磁化ワイヤ３１に、引張応力を後から加えることを可能にする。

図３に示すような電圧発生装置１の第２実施形態では、第１支持体部３６ａと第２支持体部３６ｂとの間に付勢力を発生させる付勢部材３７は、弾性ばねとして形成されている。これにより、２つの支持体部３６ａ、３６ｂ間での一方の他方に対する付勢は、例えば周囲温度の変化によって引き起こされるような、支持体３６に長さの変化が生じた場合に、自動的に補償される。このようにして、磁化ワイヤ３１に作用する機械的引張応力を永久的に一定に保つことができ、特に効果的なパルス生成を磁化ワイヤ３１に行うことができ、その結果、比較的大きな電圧を電力線ユニット４に誘導することができる。

この目的のために、電力線ユニット４は、変換ユニット３の長手方向延長方向に対して垂直に配置された電気コイル４１を備える。電気コイル４１は、変換ユニット３の周りに配置され、導通可能な導電性ワイヤ４２を含む。特に、導電性ワイヤ４２の巻回方向は、磁化ワイヤ３１の巻回方向に対して垂直に向けられている。これにより、磁束方向が変化すると、比較的大きな電圧を導電性ワイヤ４２内に発生させることができる。誘導電圧の伝達および保存のために、導電性ワイヤ４２は、図示されていない装置、特に電気エネルギーを保存するための保存装置に接続され得る。

主請求項は、上述の例示的な実施形態に限定されないことを理解されたい。既に述べたように、磁石や、付勢部材、電気コイルの変形は、当業者にとって明らかな手段である。同様に、より多くの又はより少ない数の磁石を可動体上に配置することもできる。

１ 電圧発生装置
２ 励磁ユニット
２１ 磁石
２３ 磁場
３ 変換ユニット
３１ 磁化ワイヤ
３２ 硬磁性部、コア
３３ 軟磁性部、スリーブ
３４ ワイヤ端部
３５ ワイヤ端部
３６ 支持体
３６ａ 支持体部
３６ｂ 支持体部
３７ 付勢部材
４ 電力線ユニット
４１ 電気コイル
４２ 導電性ワイヤ
９ 本体

Claims (14)

1. 可動磁場を電圧に変換するための電圧発生装置（１）であって、
   回転可能、移動可能、又は回転可能及び移動可能に取り付けられた本体（９）上に配置されて磁場を生成するために設けられた少なくとも１つの磁石（２１）を有する励磁ユニット（２）と、
   前記励磁ユニット（２）と機能的に協働すると共に、前記磁場（２３）による磁化に適合した磁化ワイヤ（３１）を備えた変換ユニット（３）と、
   前記変換ユニット（３）と機能的に協働すると共に、前記変換ユニット（３）の周りに配置された電気コイル（４１）を備え、前記電気コイルは導電性ワイヤを有する電力線ユニット（４）と、
   を備え、
   前記磁化ワイヤ（３１）は、その断面に硬磁性部（３２）と軟磁性部（３３）とを有し、支持体（３６）の周囲に巻回されると共に軸方向応力を有することを特徴とする電圧発生装置（１）。
2. 前記磁化ワイヤ（３１）は、前記硬磁性部（３２）と前記軟磁性部（３３）とが異なる磁化を有することができるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧発生装置（１）。
3. 前記磁化ワイヤ（３１）は、外部磁場の変化が、ワイヤ軸に沿う前記硬磁性部（３２）の磁化の急激な変化及び前記軟磁性部（３３）の磁化の急激な変化のいずれか一方又は両方を引き起こすように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧発生装置（１）。
4. 前記磁化ワイヤ（３１）は、その長手方向延長方向に沿ってねじられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
5. 前記磁化ワイヤ（３１）の巻回方向は、前記導電性ワイヤ（４２）の巻回方向に対して垂直に向けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
6. 前記磁化ワイヤ（３１）は、前記磁化ワイヤ（３１）が前記支持体（３６）に固定される２つの軸方向ワイヤ端部（３４、３５）を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
7. 前記磁化ワイヤ（３１）は、材料結合、力固定、及び形状固定のうちのいずれか１つ、又はいずれか２つ以上の組み合わせによって互いに接続された２つの軸方向ワイヤ端部（３４、３５）を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
8. 前記支持体（３６）は、プレート形状であり、前記磁化ワイヤ（３１）は、前記支持体（３６）の長手方向延長方向に前記支持体（３６）の周囲に巻回されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
9. 前記支持体（３６）は、長手方向延長方向の長さが調整可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
10. 前記支持体（３６）は、前記磁化ワイヤ（３１）が巻回された後にも、その長手方向延長部を調整可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の電圧発生装置（１）。
11. 前記支持体（３６）は、第１支持体部（３６ａ）と第２支持体部（３６ｂ）とを備え、前記第１支持体部（３６ａ）と前記第２支持体部（３６ｂ）との間に、付勢部材（３７）が配置されて、前記２つの支持体部（３６ａ，３６ｂ）を前記支持体（３６）の長手方向延長方向に互いに離間するように付勢することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１に記載の電圧発生装置（１）。
12. 前記付勢部材（３７）は、弾性ばねとして形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電圧発生装置（１）。
13. 前記電気コイル（４１）の幅は、前記支持体（３６）の長さに実質的に対応していることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電圧発生装置（１）。
14. 前記導電性ワイヤ（４２）は、電気エネルギーを保存するための保存装置に接続されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の電圧発生装置（１）。

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