WO2012140162A2 - Device for converting kinetic energy into electrical energy - Google Patents

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WO2012140162A2
WO2012140162A2 PCT/EP2012/056716 EP2012056716W WO2012140162A2 WO 2012140162 A2 WO2012140162 A2 WO 2012140162A2 EP 2012056716 W EP2012056716 W EP 2012056716W WO 2012140162 A2 WO2012140162 A2 WO 2012140162A2
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flywheel
engagement
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coil
movement
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Dirk Spreemann
Bernd Folkmer
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Hahn-Schickard Gesellschaft Für Angewandte Forschung E. V.
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/118Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with starting devices

Definitions

  • the present invention relates to devices for converting kinetic energy into electrical energy using a coil and a flywheel body.
  • Devices for converting kinetic energy into electrical energy, or in particular for converting vibrations into electrical energy are usually resonant spring-mass-damper systems. Such converters are also called vibration transducers. In these, the effect of the resonance is exploited in order to maximize the energy transfer of the vibration in the vibration transducer or to amplify the usually small vibration amplitudes into large internal Auslcnkungen the flywheel. However, if the vibration amplitude or the dimension of the exciting movement function is greater than the internal deflection of the vibration transducer, it is not advantageous to operate the vibration transducer at its resonance frequency.
  • transducer in the case of pulse excitation, in which a resonant transducer is deflected once and then oscillates at its resonance frequency.
  • pulse excitation in which a resonant transducer is deflected once and then oscillates at its resonance frequency.
  • large-scale excitation functions are common, e.g. Human movement, positioning and robot systems, machine tools.
  • a mechanism for the effective conversion of kinetic energy in large-scale movements in electrical energy is from the company Seiko and is shown in Fig. 7.
  • Fig. 7 shows a device 10 which has a flywheel body 1 1 with a flywheel.
  • the flywheel 1 1 is rotatably mounted on an axis 14 and is located with a translation 16 which is connected on a drive side 16a with the flywheel 1 1 on the axis 14 in engagement.
  • a rotor 18a On a drive side 16a opposite output side 16b of the translation stage 16 is a rotor 18a with the translation stage 16 is engaged.
  • This rotor 18a belongs to a generator 18.
  • the flywheel 1 1 can be excited by a movement which is significantly greater in its deflection than the inner deflection of the flywheel 11, for example, an arm movement, or by horizontal acceleration pulses, for example when starting or braking robot movements, to vibrate.
  • the flywheel body 1 1 rotates about the axis 14, so that the kinetic energy, for example, a straight line Movement is converted into rotor energy.
  • the rotorial energy is transmitted to the generator 18 by means of the translation stage 16 and converted into electrical energy by inducing a current in a coil with a magnetic flux rotating rotor 18a in a magnetic field. With this induced current, for example, a wrist watch can be supplied with electrical energy by movement of the wrist joint.
  • acceleration pulses eg when starting or braking robot movements
  • acceleration pulses can be used as long as it is horizontal movements, ie axis of rotation of the imbalance perpendicular to the acceleration of gravity, is.
  • T. v. Buren, G. Tröster describes an approach in which body movements are converted with conventional resonant vibration transducers in the design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power generator.
  • a prototype ⁇ 30cm 3
  • average power of about 50 ⁇ ⁇ could be achieved while running. In most cases, however, the voltages are less than 1 V, which causes significant losses due to the voltage rectification.
  • the object of the present invention is to provide a device for converting kinetic energy, in particular as a result of large-scale movements or impulse excitations, into electrical energy with a high efficiency. This object is achieved by a device according to claim 1.
  • the present invention provides a device for converting kinetic energy into electrical energy, which has the following features: a spool, a flywheel having a first flywheel and a second flywheel, the first flywheel and the second flywheel being relatively engaged between a first position, in the engagement portions of the first and second flywheels, and a second position, in the other engagement portions the first and second flywheels are movable, the flywheel body having a magnet and movable relative to the coil on a trajectory between two points of reversal to induce a current in the coil, the flywheel causing a magnetic flux through the coil which has a first direction when the two flywheels are in the first position, and an opposite second direction when the two flywheels are in the second position, the device being designed such that at the reversal points a reversal of the direction of movement of the Swing body and one e position change of the two masses of the first to the second position or vice versa take place.
  • Embodiments of the invention provide a device for converting kinetic energy into electrical energy that combines several advantages of known approaches. Embodiments of the invention allow the exploitation of excitations with large-scale movements, vibrations or pulses associated with a high overall system efficiency with a high voltage level.
  • a flywheel body which is part of a spring-mass system, with a magnet, which dictates a magnetic flux through a coil, relative to the coil for swinging excited on a trajectory between two reversal points, wherein the direction of the magnetic flux is changed at the reversal points, so that thereby a current is induced in the coil.
  • the trajectory of the flywheel is limited in embodiments by two gefered stops at reversal points at which the movement of the example excited by a pulse flywheel is reversed so that it oscillates back and forth between the reversal points.
  • the flywheel body is formed by two relatively movable flywheel masses, which are a first and a second To take a position. Through these positions, the direction of the magnetic flux of the flywheel body is defined so that the magnetic flux of the flywheel body in the first position has a first direction and in the second position has a second direction opposite to the first direction. The change in position of the two centrifugal masses to one another and thus also the change in the direction of the magnetic flux takes place at the reversal points.
  • a spring of a sprung stop acts on one of the two flywheels, while an inertia acts on the other flywheel in the opposite direction and so a position change of the two flywheel masses from the first to the second position or vice versa.
  • a reversal of the direction of the magnetic flux in embodiments of the invention takes place in the change in position of the centrifugal masses, a reversal of the direction of the magnetic flux, so that each time the direction of movement, a current pulse can be induced in the coil.
  • This may cause voltage and power problems in converting kinetic energy, e.g. Vibration or pulses, can be reduced into electrical energy.
  • devices according to embodiments of the present invention enable efficient conversion of kinetic energy into electrical energy.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for converting kinetic energy into electrical energy according to an exemplary embodiment
  • Fig. 2a, 2b is a schematic representation of the two flywheel masses of Figure 1 in a first and a second position.
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a replacement model for the embodiment of Fig. 1;
  • Fig. 4a - 4d is a schematic sectional view of a replacement model for another
  • FIG. 5 is graphs illustrating adjustment parameters of sprung ones.
  • FIGS. 6a-6b are graphs in a device for illustrating the relationship between the excitation by a kinetic energy and the resulting electrical energy according to the embodiment of FIG. 1; and
  • FIG. 7 is a schematic representation of an energy converter according to the prior art
  • a device 20 for converting kinetic energy to electrical energy has a coil 26 and a flywheel 12, the latter comprising a first flywheel 28 and a second flywheel 30.
  • the flywheels 28 and 30 are movable relative to the spool 26 and to each other on a movement path 21 with two turning points 56a, 56b.
  • the same according to the present embodiment in each case rotatably mounted about an axis 22, so that in accordance with the present, the movement path 21 corresponds to a circle segment whose two ends are defined by the reversal points 56 a and 56 b.
  • the movement of the flywheels 28 and 30 towards each other is restricted to positions between a first stable position 60 (FIG. 2a) therebetween in which engagement portions 62b, 64b, 66a and 68a of the first and second flywheels 28 and 30 are engaged and a second stable position 70 in which other engagement portions 62a, 64a, 66b and 68b of the first and second flywheels 28 and 30 are engaged.
  • the flywheel body 12 further includes a magnet 32 for inducing a current in the coil 26.
  • the flywheel 12 provides a magnetic flux through the coil 26 having a first direction 69 when the two flywheels 28, 30 are in the first position 60, and an opposite second direction 79 when the two flywheels 28 and 30 in the second position 70 are.
  • the device 20 is designed such that at the reversal points 56a, 56b, a reversal of the direction of movement of the flywheel body 12 and a change in position of the two flywheel masses 28 and 30 from the first position 60 to the second position 70 or vice versa takes place, so that at each polarity reversal Current induction takes place and thereby a conversion of kinetic energy, which led to the movement of the flywheel body, takes place in electrical energy, as will be discussed in more detail below.
  • the device 20 comprises a C-shaped frame 24 having an axially parallel portion 24a and two opposing portions 24b, 24c at opposite ends of the axially parallel portion 24a, between which the axis 22 extends.
  • the frame 24 is divided into two parts, between which extends transversely to the axis 22, a board 25 having an opening 27 through which the axis 22 extends, and on which the fixed coil 26 is arranged, the is arranged about the axis of rotation 22 and through which the axis of rotation 22 extends.
  • a board 25 having an opening 27 through which the axis 22 extends, and on which the fixed coil 26 is arranged, the is arranged about the axis of rotation 22 and through which the axis of rotation 22 extends.
  • the frame 24 and the axis 22 fixed support of the coil 26 is only exemplary and could also be designed differently.
  • the board 25 the contact of the coil 26 and thus the tapping of the electrical energy can take place.
  • the first flywheel 28 has a first moment of inertia Ji
  • the second flywheel 30, on which the magnet 32 is formed in the present case has a second mass moment of inertia J 2 .
  • the first stable position 60 results in a magnetic flux having a first direction 69 and in the second position 70 a magnetic flux having a second opposite direction 79 through the Coil 26.
  • the flywheels 28 and 30 are described in more detail.
  • the first flywheel 28 has a with respect to the axis 22 on a first side of the coil 26 arranged, from the axis 22 radially outwardly occidentalre- ckenden section 42 and one with respect to the axis 22 on a second side of the coil 26 of the axis 22 radially extending portion 44. Further, the flywheel 28 has a extending through the coil 26 section 40 which connects the two sections 42 and 44 together.
  • the portion 42 is fork-shaped and around the two engagement portions 64a and 64b, which also extend radially outwardly and are spaced apart along the path of movement.
  • the second flywheel 30 includes the magnet 32 so that the magnet 32 is located between the engagement portions 64a and 64b. Its poles 32a and 32b are located along the movement path 21 opposite each other. Further, the second flywheel 30 has two radially extending from the axis 22 parts 34 and 36, between which two members 35 and 37 are mounted in the axial direction, between which the magnet 32 is held. The parts 34 and 36 are not shown in Figs. 2a and 2b to not to obstruct the view of the other components.
  • the two members 35 and 37 thus define two engagement portions 62a and 62b located between the portions 64a and 64b and between which in turn the magnet 32 is located, and two engagement portions 68a and 68b between which a portion spaced from the axis 22 66 of section 44, which defines two access sections 66a and 66b.
  • the portion 42 of the first flywheel 28 is rotated relative to the portion 44 relative to the axis, that in the first position 60 at the level of the portion 42, the engagement portions 62 b and 64 b, namely the rear in the direction of movement A engagement portions, and at the height of the portion 44 two further engagement portions 66a and 68a, namely the front in the direction of movement A engagement portions, are engaged.
  • the portion 42 is magnetically coupled via the engagement portions 62b and 64b to the first pole 32a of the magnet 32, and the portion 44 is magnetically coupled via the engagement portions 66a and 68a to the second magnetic pole 32b.
  • a magnetic yoke is thus formed, so that a magnetic flux with a first direction 69 in the flywheel body 12 passes through the coil 26 at the first position 60.
  • the magnet 32 is further arranged such that it can exert a holding force F M on the first flywheel 28 to fix the first position 60 or the second position 70.
  • the section 42 of the first flywheel 28 has a Vorsprang 46a and 48b Vorsprang, with which the flywheel 12 or according to the present Auslanderangsbeispiel the flywheel 28 on a spring 48a of a first spring stop 57a at the reversal point 56a of the movement path 21st or an opposing spring 48b of a second spring-loaded stop 57b at the other reversal point 56b of the movement path 21 strikes.
  • the sprung stops 57a and 57b are arranged on the axis-parallel portion 24a of the frame 24 and are formed in the present embodiment by the springs 48a and 48b and two fixed stoppers 54a and 54b, respectively.
  • the springs 48a and 48b are thus positioned on the frame 24 at the height of the second portion 42 in this Aus technologicalangsbeispiel and thus represent two reversal points 56a and 56b for the flywheel 12.
  • the spring rate of the springs 48a and 48b and the points of engagement of the springs 48a and 48b on the movement path 21, on which the flywheel 28, the springs 48a and 48b begins to touch and compress, are variable via an adjusting screw 50.
  • the positions of the fixed stops 54a and 54b on the movement path 21 can be varied by means of two adjusting screws 52a and 52b.
  • the spring-mass system formed by the flywheel body 12 and the springs 48a and 48b, by means of the adjustable sprung stops 57a and 57b to a certain excitation x (t) out, for example, an acceleration or vibration, can be optimized, with which the entire device 20 and the frame 24 from the outside, for example statistically most often moved.
  • the device 20 can be excited in this Auszhouangsbeispiel by an external excitation x (t) by kinetic energy to vibrate, so that the flywheel body 12 is deflected, for example, in the direction A in the excitation x (t) shown by way of example. As a result of the deflection of the flywheel body 12 on the movement path 21, this is moved to the first reversal point 56a and reversed in its direction of movement by the first spring-loaded stop 57a.
  • the reversal of the direction of movement is effected by the kinetic energy of the flywheel body 12 via the first projection 46a and with the aid of the engagement sections 62a, 64a, 62b, 64b, 66a and 68a the first spring 48a is transmitted and there is cached as potential energy.
  • the first flywheel 28 is accelerated directly by the spring force Fp over the projection 46a in the direction B and the second flywheel 30 via the engagement portions 62a, 64a, 62b, 64b, 66b and 68b of the two flywheel masses and / or by a Momentum at the engagement portions 62a and 64a, and 66b and 68b between the first and second flywheels 28 and 30.
  • the potential energy is converted into kinetic energy, so that the flywheel 12 in the direction B to the second turning point 56b, which also a Has sprung stop, is deflected.
  • a reversal of the movement, from direction B in the direction A, of the flywheel body 12 takes place.
  • the first flywheel 28 is decelerated via the projection 46a by means of the spring force Fp, the second flywheel 30 moving on the movement path 21 in the direction A due to its inertia and the inertia force Fj generated thereby and thus the engagement on the rear engaging portions 62b, 64b, 66a and 68a is released when the spring force F F is greater than the maximum holding force FM of the magnet 32 and the amount of the holding force FM is smaller than the amount of the inertia force F T of the zvvei - Flywheel 30, which acts opposite to the holding force FM.
  • the second flywheel 30 releases from engagement with the first flywheel 28 and performs a relative movement with respect to the same, so that a position change from the first position 60 results in the second position 70.
  • the direction of the magnetic flux from the first direction 69 to the second opposite direction 79 is reversed, so that a current is induced in the coil due to the flux change.
  • This current is approximately to be described as a current pulse, since it is concentrated on a very short time.
  • the advantage here is a generally high voltage level for the device 20, which enables efficient energy conversion.
  • FIGS. 4a-4d a further exemplary embodiment will be explained with reference to a simplified substitute mode, which differs from that explained above in that the springs 48a or 48b are not dependent on the flywheel 28, but on the other hand. which act on the flywheel 30.
  • a simplified substitute model 1 of the described exemplary embodiment which is shown in FIG , Fig. 2a and Fig. 2b, explained.
  • FIG. 3 shows a simplified substitute model of the device 20 for illustrating the forces acting on the flywheels 28 and 30.
  • the flywheel body 12 is here shown to be translationally mounted in the frame 24, wherein the bearing may just as well be rotor-like as described with respect to FIG has been.
  • the latter has a translationally movable first carriage with a mass ml which corresponds in force and engagement to the first flywheel 28 and a second carriage enclosed by the first carriage and having a mass m2 which corresponds to the second flywheel 30 of FIG. 1 and FIG 2 corresponds to.
  • Analogous to the flywheels 28 and 30 in the embodiment of Fig. 1 and Fig. 2 the two cars are movable relative to each other, wherein the first carriage limits the second carriage in its movement.
  • the magnet 32 On the second flywheel 30, the magnet 32 is provided with the two poles 32a and 32b, which simultaneously form here the engagement portions 62a and 62b and can be engaged with the engagement portions 64a and 64b of the second flywheel 30, respectively.
  • the magnet 32 fixes, by means of the magnetic holding force FM, the first position 60 or the second position 70 of the two flywheel masses 28 and 30 relative to one another.
  • FIG. 4a now shows a schematic representation of a replacement model of an alternative exemplary embodiment with the flywheel body 12, which is shown as being movable in a translatory movement path between the reversal points 56a and 56b analogously to FIG. 3, but structurally as in FIG. 1, FIG. 2a and Fig. 2b can be shown rotorically mounted.
  • the spring-loaded stops 57a and 57b or two springs 48a and 48b do not act on the first flywheel 28 but on the second flywheel 30.
  • the spring 48a on the flywheel Return point 56a and the spring 48b at the reversal point 56b are in this case designed such that they can act on the second flywheel 30.
  • the two flywheel masses 28 and 30 are respectively in the middle of the trajectory 82 between the two reversal points 56a and 56b and not in engagement with each other.
  • the construction shown can refer to FIG. 3 or refer to FIG. 1 and FIG. 2 to the construction shown there.
  • the two positions 60 and 70 of the flywheels 28 and 30 to each other, which adjust depending on their direction of movement, in contrast to the embodiment shown in Fig. 3 are opposite. That is, the two flywheel masses 28 and 30 have a second position 70 in a movement in the direction A, namely a front position in the direction of movement, and a movement in the direction B, a first in the direction of movement forward position 60.
  • the acting forces at the position change at the engaging portions 62a and 64a and at the engaging portions 62b and 64b for this embodiment are discussed in more detail in Figs. 4c and 4d.
  • a damping d e between the first and second flywheel mass 28 and 30 and a damping d m that acts on the swing body 12 and d m i, is attenuated by said first flywheel mass 28 from the damping components, and d m2 , with which the second flywheel 30 is damped, composed, shown.
  • the attenuation of the first and second flywheels 28 and 30 symbolizes the energy extraction in the conversion of the kinetic energy in e- lectric energy by the induction of a current in the coil 26 and / or the energy loss, which is caused for example by friction.
  • both flywheels 28 and 30 are located in the middle of the trajectory 82 between the two turning points 56a and 56b, as shown in Fig. 4a.
  • the flywheels are engaged with the spring 48a and 48b, respectively.
  • the flywheel body 12 is located below the position 108a in the position change of the first position 60 to the second position 70 and above the position 108b in the position change from the second position 70 to the first position 60th
  • FIG. 4c shows the device of FIG. 4a, which is in the second position 70 shortly before the Stel change in position at the reversal point 56 a.
  • the engagement portion 64a of the first flywheel 28 is engaged with the engagement portion 62a of the second flywheel 30.
  • the spring force FF of the spring 48a counteracts the inertia force Fj of the first flywheel 28, so that the engagement on the engagement portions 62a and 64a is released when the spring force FF is greater than the holding force FM between the engagement portions 62a and 64a and when holding force F M is greater in magnitude than the opposite inertia force ⁇ j acting on the first flywheel 28.
  • the two flywheels 28 and 30 move relative to each other so that the positional change occurs.
  • FIG. 4 d shows the device according to FIG. 4 a in the first position 60 after the position change at the reversal point 56 a.
  • the engagement portions 62b of the second flywheel 30 and 64b of the first flywheel 28 is engaged.
  • a graph 112 shows a characteristic with an early engagement point the trajectory 21 of the sprung stop 57a and 57b, respectively, while a graph 114 represents a late point of engagement on the trajectory 2 Id. Consequently, an early point of engagement can shift the reversal points 56a and 56b on the path of movement if the holding force F and the mass moments of inertia Ji and J 2 are dimensioned accordingly.
  • the maximum deflection angle ⁇ on the trajectory is limited by the fixed stop 54 a or 54 b, which is shown by the line 116. Referring to FIG. 1, the point of engagement of the springs 48a and 48b, respectively, may be varied via the adjustment screw 50. Fig.
  • FIG. 5b shows the spring force FF as a function of the deflection angle ⁇ for three different positions of the fixed stop 54 and 54b, referring to Fig. 1.
  • a line 118 represents an early stop position on the trajectory 2 Idar and a line 122 a late one Lifting point on the trajectory.
  • the spring force F f which acts on the flywheel body 12, increases linearly as a function of the deflection angle ⁇ until the flywheel body 12 strikes the fixed stop 54 a or 54 b, represented by the lines 118 and 122, respectively. where the power grows to infinity.
  • Fig. 5c shows the spring force F F in function of the deflection angle ⁇ for three different spring rates k.
  • a graph 124 illustrates an increase in the spring rate k of the springs 48a and 48b relative to a graph 126.
  • This spring rate k is adjustable, for example, by means of a bias or a varying number of cantilevers. Referring to FIG. 1, for the springs 48a and 48b, respectively, via the adjusting screw 50, the spring hardness k can be varied by the bias voltage.
  • 6a shows a schematic illustration of an excitation function y (t) of an exemplary robot motion profile for a device 20 for simulation purposes.
  • the deflection of the device 20 is plotted over time.
  • the device 20 is deflected once by about 40 cm and thus excited to vibrate.
  • FIG. 6b shows a calculated vibration behavior of the device 20 as a consequence of the excitation function y (t) described with reference to FIG. 6a.
  • the flywheel body 12 has a vibration behavior with a total of eleven contact changes at the reversal points or eleven position changes, in which a current pulse is in each case induced in the coil. The duration in which the current pulse is induced varies over the oscillation.
  • This vibration behavior determined by means of a simulation confirms the applicability of the above exemplary embodiment.
  • the current pulses are estimated at about 10 mW for about 10 ms.
  • the converted energy is hereby concentrated on a very short time. This can reduce voltage and power problems.
  • the sprung stoppers 57a, 57b would be respectively positioned on the track 24 so that they act, for example, on one of the parts 34 or 36 of the flywheel 30 or directly on the flywheel 30.
  • the device 20 instead of the adjusting screws 52a and 52b for the stop and instead of the adjustment screw 50 for the spring rate k and the point of engagement of the springs 48a and 48b only two spring-loaded stops or springs with fixed parameters for engagement points, stop and spring hardness k would be provided.
  • springs 48a and 48b could be formed on the flywheel body 12 instead of the frame 24.
  • spring-loaded stops 57a and 57b formed in the exemplary embodiment from FIG. 1 by means of two springs 48a and 48b, they could alternatively be designed with only one spring which defines the two reversal points 56a and 56b on the movement path 21.
  • FIG. 1 Another conceivable alternative with respect to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 would be to completely dispense with the sprung stops 57a and 57b or the springs 48a and 48b at the reversal points 56a and 56b and a leg spring arranged on the axle 22 Torsion is provided to provide, so that it is in engagement with either the flywheel 28 and / or the flywheel 30 and causes the reversal of the flywheel body 12 at the Umkchr Jenkinsen and / or the change in position of the flywheels 28 and 30 triggers.
  • the illustrated frame 24 may alternatively be realized by a one-piece construction. It is also possible that the flywheel 28 and the flywheel 30 could consist of individual components.
  • Another alternative embodiment would be to attach one of the two masses 28 or 30 directly on the axis 22 and the axis 22 to store rotor 24 in the frame, while the other flywheel 28 or 30 is rotatably mounted on the axis 22 to a relative movement of the to allow two flywheels 28 and 30.
  • the second flywheel 30 partially by means of the holding force FM between the engagement portions 64b first flywheel 28 and 62b of the second flywheel 30 in the position change first position 60 in second position 70 in direction B. or the engagement portions 62a of the second flywheel 30 and 64a first flywheel 20 are accelerated in the position change second position 70 in the first position 60 in the direction A.
  • the flywheel body 12 may be replaced by various forms of excitation, such as e.g. a vibration, an acceleration, a momentum or a weight force with kinetic energy is excitable.
  • any direction of force is possible, which is not parallel to the axis 22.
  • the magnet 32 it would alternatively also be conceivable for the magnet 32 to be formed on the first flywheel 28 instead of the second flywheel 30, so that the direction of the magnetic Flow in a first position 60 of the two masses 28 and 30 to each other has a first direction 69 and in a second position of the two masses to each other an opposite second direction 79 has.
  • the magnet 32 can also fix the first or second position by its holding force or magnetic force.
  • flywheel body 12 and thus the flywheels 28 and 30 in the embodiment of Fig. 1 instead of on a rotor orbit about an axis 22 on a translational, straight trajectory 21 with two reversal points Ausschwingen be excited, as described schematically in the replacement model of Fig. 3 and Fig. 4.

Abstract

A device for converting kinetic energy into electrical energy which has a coil and an oscillating body with a first and a second oscillating mass. The first and second oscillating masses can move relative to one another between a first position, in which engagement sections of the first and second oscillating masses are engaged, and a second position, in which other engagement sections of the first and second oscillating masses are engaged. The oscillating body has a magnet and can be moved relative to the coil on a movement path between two reversal points, in order to induce a current in the coil. By means of the oscillating body, a magnetic flux through the coil is predefined, said flux having a first direction when the two oscillating masses are in the first position, and an opposing second direction when the two oscillating masses are in the second position. The device is configured in such a way that a reversal of the direction of movement of the oscillating body and a change in position of the two oscillating masses from the first position to the second position, or vice versa, take place at the reversal points.

Description

Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie  Device for converting kinetic energy into electrical energy
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung einer Spule und eines Schwungkörpers. Vorrichtungen zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie oder insbesondere zur Umwandlung von Vibrationen in elektrische Energie sind in der Regel resonante Feder-Masse-Dämpfer- Systeme. Derartige Umwand ler werden auch Vibrationswandler genannt. Bei diesen wird der Effekt der Resonanz ausgenutzt, um den Energieübertrag der Vibration in den Vibrationswandler zu maximieren bzw. die üblicherweise kleinen Vibra- tionsamplituden in große innere Auslcnkungen der Schwungmasse zu verstärken. Ist die Vibrationsamplitude bzw. die Dimension der anregenden Bewegungsfunktion jedoch größer als die innere Auslenkung des Vibrationswandlers ist ein Betreiben des Vibrationswandlers bei seiner Resonanzfrequenz nicht vorteilhaft. Ausgenommen hiervon ist das Betreiben eines Wandlers bei einer Impulsanregung, bei der ein resonanter Wandler einma- lig ausgelenkt wird und danach mit seiner Resonanzfrequenz ausschwingt. In der Praxis kommen großräumige Anregungsfunktionen häufig vor, z.B. Bewegung eines Menschen, Positionier- und Robotersysteme, Werkzeugmaschinen. The present invention relates to devices for converting kinetic energy into electrical energy using a coil and a flywheel body. Devices for converting kinetic energy into electrical energy, or in particular for converting vibrations into electrical energy, are usually resonant spring-mass-damper systems. Such converters are also called vibration transducers. In these, the effect of the resonance is exploited in order to maximize the energy transfer of the vibration in the vibration transducer or to amplify the usually small vibration amplitudes into large internal Auslcnkungen the flywheel. However, if the vibration amplitude or the dimension of the exciting movement function is greater than the internal deflection of the vibration transducer, it is not advantageous to operate the vibration transducer at its resonance frequency. An exception to this is the operation of a transducer in the case of pulse excitation, in which a resonant transducer is deflected once and then oscillates at its resonance frequency. In practice, large-scale excitation functions are common, e.g. Human movement, positioning and robot systems, machine tools.
Ein Mechanismus zur effektiven Umwandlung von kinetischer Energie bei großräumigen Bewegungen in elektrische Energie stammt von der Firma Seiko und ist in Fig. 7 gezeigt. A mechanism for the effective conversion of kinetic energy in large-scale movements in electrical energy is from the company Seiko and is shown in Fig. 7.
Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung 10, die einen Schwungkörper 1 1 mit einer Schwungmasse aufweist. Die Schwungmasse 1 1 ist auf einer Achse 14 rotorisch gelagert und befindet sich mit einer Übersetzung 16, die auf einer Antriebsseite 16a mit dem Schwungkörper 1 1 an der Achse 14 verbunden ist, in Eingriff. Auf einer der Antriebsseite 16a gegenüberliegenden Abtriebsseite 16b der Übersetzungsstufe 16 befindet sich ein Rotor 18a mit der Übersetzungsstufe 16 in Eingriff. Dieser Rotor 18a gehört zu einem Generator 18. Fig. 7 shows a device 10 which has a flywheel body 1 1 with a flywheel. The flywheel 1 1 is rotatably mounted on an axis 14 and is located with a translation 16 which is connected on a drive side 16a with the flywheel 1 1 on the axis 14 in engagement. On a drive side 16a opposite output side 16b of the translation stage 16 is a rotor 18a with the translation stage 16 is engaged. This rotor 18a belongs to a generator 18.
Der Schwungkörper 1 1 kann durch eine Bewegung, die in ihrer Auslenkung wesentlich größer als die innere Auslenkung des Schwungkörpers 11 ist, beispielsweise einer Armbewegung, oder durch horizontale Beschleunigungsimpulse, z.B. beim Anfahren bzw. Abbremsen von Roboterbewegungen, zum Schwingen angeregt werden. Hierbei rotiert der Schwungkörper 1 1 um die Achse 14, so dass die kinetische Energie z.B. einer geradlinigen Bewegung in rotorische Energie gewandelt wird. Die rotorische Energie wird mittels der Übersetzungsstufe 16 an den Generator 18 übertragen und in elektrische Energie gewandelt, indem ein in einem Magnetfeld rotierender Rotor 18a mit einem magnetischen Fluss einen Strom in einer Spule induziert. Mit diesem induzierten Strom kann z.B. eine Arm- banduhr durch Bewegung des Armgelenks mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Energiewandlung basiert maßgeblich auf einer Änderung der Gravitationsrichtung, wobei prinzipiell auch Beschleunigungsimpulse, z.B. beim Anfahren bzw. Abbremsen von Roboterbewegungen, genutzt werden können, solange es sich um horizontale Bewegungen, d.h. Rotationsachse der Unwucht senkrecht zur Erdbeschleunigung, handelt. The flywheel 1 1 can be excited by a movement which is significantly greater in its deflection than the inner deflection of the flywheel 11, for example, an arm movement, or by horizontal acceleration pulses, for example when starting or braking robot movements, to vibrate. Here, the flywheel body 1 1 rotates about the axis 14, so that the kinetic energy, for example, a straight line Movement is converted into rotor energy. The rotorial energy is transmitted to the generator 18 by means of the translation stage 16 and converted into electrical energy by inducing a current in a coil with a magnetic flux rotating rotor 18a in a magnetic field. With this induced current, for example, a wrist watch can be supplied with electrical energy by movement of the wrist joint. The energy conversion is largely based on a change in the gravitational direction, in principle, acceleration pulses, eg when starting or braking robot movements, can be used as long as it is horizontal movements, ie axis of rotation of the imbalance perpendicular to the acceleration of gravity, is.
Von T. v Büren, G. Tröster wird in "Design and optimization of a linear vibration-driven eiectromagnetic micro-power generator", Sensors and Actuators ein Ansatz beschrieben, bei dem Körperbewegungen mit üblichen resonanten Vibrationswandlern konvertiert werden. Mit einem Prototype (~30cm3) konnten beim Laufen mittlere Leistungen von ca. 50 μ ν erreicht werden. In der meisten Zeit sind hier allerdings die Spannungen kleiner 1 V, was signifikante Verluste durch die Spannungsgleichrichtung bewirkt. T. v. Buren, G. Tröster describes an approach in which body movements are converted with conventional resonant vibration transducers in the design and optimization of a linear vibration-driven electromagnetic micro-power generator. With a prototype (~ 30cm 3 ) average power of about 50 μ ν could be achieved while running. In most cases, however, the voltages are less than 1 V, which causes significant losses due to the voltage rectification.
Ein weiterer Ansatz basiert auf einer Kugel, die sich in einem durch Piezobalken begrenzten, viereckigen Raum befindet und beim Anschlagen elektrische Energie generiert, wobei die erreichten Leistungen und Spannungen jedoch unter einem technisch relevanten Bereich liegen. Im Gegensatz zu den genannten schwingfähigen Systemen wurde von der Firma EnOcean ein Schalter entwickelt, der elektrische Energie generiert, indem eine magnetische Flussumkehr in einer Spule durch einen Tastendruck erreicht wird. Dieses System ist kraftgesteuert und kann nicht zur Konvertierung von großräumigen Bewegun- gen verwendet werden. Es besitzt allerdings den charakteristischen Vorteil, dass die elektrische Energie zwar in einem kurzen Impuls, dafür aber mit hoher Leistung und hoher Spannung zur Verfügung steht, während bei Vibrationswandlern das verfügbare Spannungslevel üblicherweise sehr schnell unter IV sinkt, was die Effizient des Gesamtsystems deutlich verringert. Another approach is based on a ball, which is located in a quadrilateral space bounded by piezoelectric bars and generates electrical energy when struck, although the achievable powers and voltages are below a technically relevant range. In contrast to the oscillatory systems mentioned above, EnOcean has developed a switch that generates electrical energy by achieving magnetic flux reversal in a coil by pressing a button. This system is force-controlled and can not be used to convert large-scale movements. However, it has the characteristic advantage that the electrical energy is available in a short pulse, but with high power and high voltage, whereas in vibration transducers the available voltage level usually drops very quickly below IV, which significantly reduces the efficiency of the overall system.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie, insbesondere in Folge von großräumigen Bewegungen bzw. Impulsanregungen, in elektrische Energie mit einer hohen Effizienz zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. The object of the present invention is to provide a device for converting kinetic energy, in particular as a result of large-scale movements or impulse excitations, into electrical energy with a high efficiency. This object is achieved by a device according to claim 1.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, die folgende Merkmale aufweist: eine Spule, einen Schwungkörper mit einer ersten Schwungmasse und einer zweiten Schwungmasse, wobei die erste Schwungmasse und die zweite Schwungmasse relativ zueinander zwischen einer ersten Stellung, in der Eingriffnahmeabschnitte der ersten und zweiten Schwungmasse in Eingriff sind, und einer zweiten Stellung, in der andere Eingriffnahmeabschnitte der ersten und zweiten Schwungmasse in Eingriff sind, bewegbar sind, wobei der Schwungkörper einen Magneten aufweist und relativ zu der Spule auf einer Bewegungsbahn zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbar ist, um einen Strom in der Spule zu induzieren, wobei der Schwungkörper einen magnetischen Fluss durch die Spule vorgibt, der eine erste Richtung hat, wenn die zwei Schwungmassen in der ersten Stellung sind, und eine entgegengesetzte zweite Richtung, wenn die zwei Schwungmassen in der zweiten Stellung sind, wobei die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass an den Umkehrpunkten eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungskörpers und eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen von der ersten in die zweite Stellung oder umgekehrt stattfinden. The present invention provides a device for converting kinetic energy into electrical energy, which has the following features: a spool, a flywheel having a first flywheel and a second flywheel, the first flywheel and the second flywheel being relatively engaged between a first position, in the engagement portions of the first and second flywheels, and a second position, in the other engagement portions the first and second flywheels are movable, the flywheel body having a magnet and movable relative to the coil on a trajectory between two points of reversal to induce a current in the coil, the flywheel causing a magnetic flux through the coil which has a first direction when the two flywheels are in the first position, and an opposite second direction when the two flywheels are in the second position, the device being designed such that at the reversal points a reversal of the direction of movement of the Swing body and one e position change of the two masses of the first to the second position or vice versa take place.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, die mehrere Vorteile bekannter Ansätze kombiniert. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Ausnutzung von Anregbarkeiten mit großräumigen Bewegungen, Vibrationen oder Impulsen verbunden mit einer hohen Gesamtsystem-Effizienz mit einem hohen Spannungslevel. Embodiments of the invention provide a device for converting kinetic energy into electrical energy that combines several advantages of known approaches. Embodiments of the invention allow the exploitation of excitations with large-scale movements, vibrations or pulses associated with a high overall system efficiency with a high voltage level.
Hierzu wird bei Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung ein Schwungkörper, der Teil eines Feder-Masse-Systems ist, mit einem Magneten, der einen magnetischen Fluss durch eine Spule vorgibt, relativ zu der Spule zum Schwingen auf einer Bewegungsbahn zwischen zwei Umkehrpunkten angeregt, wobei die Richtung des magnetischen Flusses an den Umkehrpunkten geändert wird, so dass hierdurch in der Spule ein Strom induziert wird. For this purpose, in embodiments of the invention, a flywheel body, which is part of a spring-mass system, with a magnet, which dictates a magnetic flux through a coil, relative to the coil for swinging excited on a trajectory between two reversal points, wherein the direction of the magnetic flux is changed at the reversal points, so that thereby a current is induced in the coil.
Die Bewegungsbahn des Schwungkörpers ist bei Ausführungsbeispielen durch zwei gefe- derte Anschläge an Umkehrpunkten begrenzt, an denen die Bewegung des beispielsweise durch einen Impuls angeregten Schwungkörpers umgekehrt wird, so dass dieser zwischen den Umkehrpunkten hin- und herschwingt. Des Weiteren ist der Schwungkörper durch zwei relativ zueinander bewegbare Schwungmassen gebildet, die eine erste und eine zweite Stellung einnehmen können. Über diese Stellungen wird die Richtung des magnetischen Flusses des Schwungskörpers definiert, so dass der magnetische Fluss des Schwungkörpers in der ersten Stellung eine erste Richtung und in der zweiten Stellung eine zweite der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung aufweist. Die Stellungsänderung der zwei Schwungmassen zueinander und damit auch die Änderung der Richtung des magnetischen Flusses erfolgt an den Umkehrpunkten. The trajectory of the flywheel is limited in embodiments by two gefered stops at reversal points at which the movement of the example excited by a pulse flywheel is reversed so that it oscillates back and forth between the reversal points. Furthermore, the flywheel body is formed by two relatively movable flywheel masses, which are a first and a second To take a position. Through these positions, the direction of the magnetic flux of the flywheel body is defined so that the magnetic flux of the flywheel body in the first position has a first direction and in the second position has a second direction opposite to the first direction. The change in position of the two centrifugal masses to one another and thus also the change in the direction of the magnetic flux takes place at the reversal points.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wirkt eine Feder eines gefederten Anschlags auf eine der zwei Schwungmassen, während eine Trägheit auf die andere Schwungmasse in entgegengesetzter Richtung wirkt und so eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen von der ersten in die zweite Stellung oder umgekehrt erfolgt. In embodiments of the invention, a spring of a sprung stop acts on one of the two flywheels, while an inertia acts on the other flywheel in the opposite direction and so a position change of the two flywheel masses from the first to the second position or vice versa.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt bei der Stellungsänderung der Schwungmassen eine Umkehr der Richtung des magnetischen Flusses, so dass bei jedem Wechsel der Bewegungsrichtung ein Stromimpuls in der Spule induziert werden kann. Hierdurch können Spannungs- und Leistungsprobleme bei der Umwandelung kinetischer Energie, z.B. Vibration oder Impulse, in elektrische Energie reduziert werden. Auf diese Weise ermöglichen Vorrichtungen gemäß AusfÜhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine effiziente Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie. In embodiments of the invention takes place in the change in position of the centrifugal masses, a reversal of the direction of the magnetic flux, so that each time the direction of movement, a current pulse can be induced in the coil. This may cause voltage and power problems in converting kinetic energy, e.g. Vibration or pulses, can be reduced into electrical energy. In this way, devices according to embodiments of the present invention enable efficient conversion of kinetic energy into electrical energy.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden Bezug nehmend auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present application will be explained in more detail with reference to the following drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umwandlung kineti- scher Energie in elektrische Energie gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel; 1 shows a schematic representation of a device for converting kinetic energy into electrical energy according to an exemplary embodiment;
Fig. 2a, 2b eine schematische Darstellung der zwei Schwungmassen von Fig. 1 in einer ersten bzw. einer zweiten Stellung; Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ersatzmodells für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ; Fig. 2a, 2b is a schematic representation of the two flywheel masses of Figure 1 in a first and a second position. Fig. 3 is a schematic sectional view of a replacement model for the embodiment of Fig. 1;
Fig. 4a - 4d eine schematische Schnittdarstellung eines Ersatzmodells für ein weiteres Fig. 4a - 4d is a schematic sectional view of a replacement model for another
Ausführungsbeispiel;  Embodiment;
Fig. 5 Graphen zur Veranschaulichung von Einstellungsparametern von gefederten FIG. 5 is graphs illustrating adjustment parameters of sprung ones. FIG
Anschlägen an den Umkehrpunkten; Fig. 6a - 6b Graphen bei einer Vorrichtung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen der Anregung durch eine kinetische Energie und der resultierenden elektrischen Energie gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel aus Fig. 1 ; und Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Energiewandlers gemäß dem Stand der Attacks at the reversal points; FIGS. 6a-6b are graphs in a device for illustrating the relationship between the excitation by a kinetic energy and the resulting electrical energy according to the embodiment of FIG. 1; and FIG. 7 is a schematic representation of an energy converter according to the prior art
Technik.  Technology.
Bezugnehmend auf Fig. 1, Fig. 2a und Fig. 2b wird im Folgenden eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie beschrieben. Sie weist eine Spule 26 und einen Schwungkörper 12 auf, wobei letzterer eine erste Schwungmasse 28 und eine zweite Schwungmasse 30 umfasst. Referring to Figs. 1, 2a and 2b, a device 20 for converting kinetic energy to electrical energy will now be described. It has a coil 26 and a flywheel 12, the latter comprising a first flywheel 28 and a second flywheel 30.
Die Schwungmassen 28 und 30 sind relativ zu der Spule 26 und zueinander auf einer Bewegungsbahn 21 mit zwei Umkehrpunkten 56a, 56b bewegbar. Dazu sind dieselben gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils um eine Achse 22 drehbar gelagert, so dass gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel die Bewegungsbahn 21 einem Kreissegment entspricht, deren zwei Enden durch die Umkehrpunkte 56a und 56b definiert sind. The flywheels 28 and 30 are movable relative to the spool 26 and to each other on a movement path 21 with two turning points 56a, 56b. For this purpose, the same according to the present embodiment, in each case rotatably mounted about an axis 22, so that in accordance with the present Ausführungsbei game, the movement path 21 corresponds to a circle segment whose two ends are defined by the reversal points 56 a and 56 b.
Die Bewegung der Schwungmassen 28 und 30 zueinander ist eingeschränkt, und zwar auf Stellungen zwischen einer ersten stabilen Stellung 60 (Fig. 2a) zwischen denselben, in der Eingriffnahmeabschnitte 62b, 64b, 66a und 68a der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 in Eingriff sind, und einer zweiten stabilen Stellung 70, in der andere Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 66b und 68b der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 in Eingriff sind. The movement of the flywheels 28 and 30 towards each other is restricted to positions between a first stable position 60 (FIG. 2a) therebetween in which engagement portions 62b, 64b, 66a and 68a of the first and second flywheels 28 and 30 are engaged and a second stable position 70 in which other engagement portions 62a, 64a, 66b and 68b of the first and second flywheels 28 and 30 are engaged.
Der Schwungkörper 12 weist ferner einen Magneten 32 auf, um einen Strom in der Spule 26 zu induzieren. Insbesondere gibt der Schwungkörper 12 einen magnetischen Fluss durch die Spule 26 vor, der eine erste Richtung 69 hat, wenn die zwei Schwungmassen 28, 30 in der ersten Stellung 60 sind, und eine entgegengesetzte zweite Richtung 79, wenn die zwei Schwungmassen 28 und 30 in der zweiten Stellung 70 sind. Die Vorrichtung 20 ist derart ausgelegt, dass an den Umkehrpunkten 56a, 56b eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 und eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30 von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 oder umgekehrt stattfindet, so dass bei jeder Umpolung eine Strominduktion stattfindet und dadurch eine Umwandlung kineti- scher Energie, die zu der Bewegung des Schwungkörpers führte, in elektrische Energie erfolgt, wie es im Folgenden noch detaillierter erörtert wird. Zur Definition der Drehachse 22 weist die Vorrichtung 20 ein C -förmiges Gestell 24 mit einem achsparallelen Abschnitt 24a und zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten 24b, 24c an gegenüberliegenden Enden des achsparallelen Abschnitts 24a auf, zwischen denen sich die Achse 22 erstreckt. Die Definition der Achse könnte natürlich auch anders gestaltet sein. In dem vorliegenden Fall teilt sich das Gestell 24 in zwei Teile, zwischen denen sich quer zur Achse 22 eine Platine 25 erstreckt, die eine Öffnung 27 aufweist, durch die sich die Achse 22 erstreckt, und auf der die feststehende Spule 26 angeordnet ist, die um die Drehachse 22 angeordnet ist bzw. durch die die Drehachse 22 verläuft. Allerdings ist auch die zum Gestell 24 bzw. der Achse 22 ortsfeste Halterung der Spule 26 nur exemplarisch und könnte auch anders ausgeführt sein. Auf der Platine 25 kann die Kontak- tierung der Spule 26 und damit der Abgriff der elektrischen Energie erfolgen. The flywheel body 12 further includes a magnet 32 for inducing a current in the coil 26. Specifically, the flywheel 12 provides a magnetic flux through the coil 26 having a first direction 69 when the two flywheels 28, 30 are in the first position 60, and an opposite second direction 79 when the two flywheels 28 and 30 in the second position 70 are. The device 20 is designed such that at the reversal points 56a, 56b, a reversal of the direction of movement of the flywheel body 12 and a change in position of the two flywheel masses 28 and 30 from the first position 60 to the second position 70 or vice versa takes place, so that at each polarity reversal Current induction takes place and thereby a conversion of kinetic energy, which led to the movement of the flywheel body, takes place in electrical energy, as will be discussed in more detail below. To define the axis of rotation 22, the device 20 comprises a C-shaped frame 24 having an axially parallel portion 24a and two opposing portions 24b, 24c at opposite ends of the axially parallel portion 24a, between which the axis 22 extends. The definition of the axis could, of course, be different. In the present case, the frame 24 is divided into two parts, between which extends transversely to the axis 22, a board 25 having an opening 27 through which the axis 22 extends, and on which the fixed coil 26 is arranged, the is arranged about the axis of rotation 22 and through which the axis of rotation 22 extends. However, even the frame 24 and the axis 22 fixed support of the coil 26 is only exemplary and could also be designed differently. On the board 25, the contact of the coil 26 and thus the tapping of the electrical energy can take place.
Die erste Schwungmasse 28 weist ein erstes Massenträgheitsmoment Ji auf und die zweite Schwungmasse 30, auf der in dem vorliegenden Fall der Magnet 32 ausgebildet ist, ein zweites Massenträgheitsmoment J2. The first flywheel 28 has a first moment of inertia Ji, and the second flywheel 30, on which the magnet 32 is formed in the present case, has a second mass moment of inertia J 2 .
Wie es nun bezugnehmend auf die Fig. 2a und 2b näher beschrieben wird, ergibt sich bei der ersten stabilen Stellung 60 ein magnetischer Fluss mit einer ersten Richtung 69 und in der zweiten Stellung 70 ein magnetischer Fluss mit einer zweiten entgegengesetzten Rich- tung 79 durch die Spule 26. Zuvor allerdings werden noch die Schwungmassen 28 und 30 näher beschrieben. As will now be described in more detail with reference to FIGS. 2 a and 2 b, the first stable position 60 results in a magnetic flux having a first direction 69 and in the second position 70 a magnetic flux having a second opposite direction 79 through the Coil 26. Previously, however, the flywheels 28 and 30 are described in more detail.
Insbesondere weist die erste Schwungmasse 28 einen bezüglich der Achse 22 auf einer ersten Seite der Spule 26 angeordneten, sich von der Achse 22 radial nach außen erstre- ckenden Abschnitt 42 und einen sich auf einer bezüglich der Achse 22 auf einer zweiten Seite der Spule 26 von der Achse 22 radial erstreckenden Abschnitt 44 auf. Ferner weist die Schwungmasse 28 einen sich durch die Spule 26 erstreckenden Abschnitt 40 auf, der die beiden Abschnitte 42 und 44 miteinander verbindet. Der Abschnitt 42 ist gabelförmig ausgebildet und um asst die zwei Eingriffnahmeabschnitte 64a und 64b, die sich ebenfalls radial nach außen erstrecken und entlang der Bewegungsbahn von einander beabstandet sind. In particular, the first flywheel 28 has a with respect to the axis 22 on a first side of the coil 26 arranged, from the axis 22 radially outwardly erstre- ckenden section 42 and one with respect to the axis 22 on a second side of the coil 26 of the axis 22 radially extending portion 44. Further, the flywheel 28 has a extending through the coil 26 section 40 which connects the two sections 42 and 44 together. The portion 42 is fork-shaped and around the two engagement portions 64a and 64b, which also extend radially outwardly and are spaced apart along the path of movement.
Die zweite Schwungmasse 30 weist den Magneten 32 auf, so dass sich der Magnet 32 zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 64a und 64b befindet. Seine Pole 32a und 32b liegen entlang der Bewegungsbahn 21 einander gegenüber. Ferner weist die zweite Schwungmasse 30 zwei radial sich von der Achse 22 erstreckende Teile 34 und 36 auf, zwischen denen sich zwei Bauglieder 35 und 37 in axialer Richtung angebracht sind, zwischen denen der Magnet 32 gehalten wird. Die Teile 34 und 36 sind in den Fig. 2a und 2b nicht gezeigt, um die Sicht auf die anderen Komponenten nicht zu versperren. Die beiden Bauglieder 35 und 37 definieren somit zwei Eingriffnahmeabschnitte 62a und 62b, die sich zwischen den Abschnitten 64a und 64b befinden und zwischen denen sich wiederum der Magnet 32 befindet, und zwei Eingriffnahmeabschnitte 68a und 68b, zwischen die sich ein von der Achse 22 beabstandeter Teil 66 des Abschnitts 44 erstreckt, der zwei Eingri ffnahmeabschnitte 66a und 66b definiert. The second flywheel 30 includes the magnet 32 so that the magnet 32 is located between the engagement portions 64a and 64b. Its poles 32a and 32b are located along the movement path 21 opposite each other. Further, the second flywheel 30 has two radially extending from the axis 22 parts 34 and 36, between which two members 35 and 37 are mounted in the axial direction, between which the magnet 32 is held. The parts 34 and 36 are not shown in Figs. 2a and 2b to not to obstruct the view of the other components. The two members 35 and 37 thus define two engagement portions 62a and 62b located between the portions 64a and 64b and between which in turn the magnet 32 is located, and two engagement portions 68a and 68b between which a portion spaced from the axis 22 66 of section 44, which defines two access sections 66a and 66b.
Der Abschnitt 42 der ersten Schwungmasse 28 ist gegenüber dem Abschnitt 44 derart, relativ zur Achse, verdreht, dass in der ersten Stellung 60 auf Höhe des Abschnitts 42 die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b, nämlich die in Bewegungsrichtung A hinteren Eingriffnahmeabschnitte, und auf Höhe des Abschnitts 44 zwei weiteren Eingriffnahmeabschnitte 66a und 68a, nämlich die in Bewegungsrichtung A vorderen Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff sind. In der zweiten Stellung 70 sind auf Höhe des Abschnitts 42 die Eingrifihahmeabschnitte 62a und 64a der Schwungmassen 28 und 30, d.h. die in der Bewegungsrichtung B hinteren Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff, während auf Höhe des Abschnitts 44 die Eingriffnahmeabschnitte 66b und 68b, d.h. die in Bewegungsrichtung B vorderen Eingriffnahmeabschnitte, in Eingriff sind. The portion 42 of the first flywheel 28 is rotated relative to the portion 44 relative to the axis, that in the first position 60 at the level of the portion 42, the engagement portions 62 b and 64 b, namely the rear in the direction of movement A engagement portions, and at the height of the portion 44 two further engagement portions 66a and 68a, namely the front in the direction of movement A engagement portions, are engaged. In the second position 70, at the level of the portion 42, the engagement portions 62a and 64a of the flywheels 28 and 30, i. in the direction of movement B rear engagement portions, while at the level of the portion 44, the engagement portions 66b and 68b, i. the front in the direction of movement B engaging portions are engaged.
In der ersten Stellung wird der Abschnitt 42 über die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b mit dem ersten Pol 32a des Magneten 32 magnetisch gekoppelt und der Abschnitt 44 über die Eingriffnahmeabschnitte 66a und 68a mit dem zweiten Magnetpol 32b magnetisch gekoppelt. Durch die magnetische Kopplung der zwei Schwungmassen 28 und 30 wird somit ein Magnetjoch ausgebildet, so dass ein magnetischer Fluss mit einer ersten Richtung 69 im Schwungkörper 12 bei der ersten Stellung 60 die Spule 26 durchsetzt. In der zweiten Stellung 70 erfolgt die magnetische Kopplung des Abschnitts 42 durch die Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a mit dem zweiten Magnetpol 32b und des Abschnitts 44 durch die Eingriffnahmeabschnitte 66b und 68b mit dem ersten Magnetpol 32a, so dass der magnetische Fluss eine zweite Richtung 79, die der magnetischen Flussrichtung 69 entgegengesetzt ist, im Magnetj och aufweist und so die Spule 26 durchsetzt. Um den magnetischen Fluss im Magnetjoch der Schwungmassen 28 und 30 zu ermöglichen, kann ein magnetisch leitendes Material, wie z.B. Stahl oder Eisen, für die Abschnitte 40, 42 und 44 sowie für die Bauglieder 35 und 37 genutzt werden. Die Teile 34 und 36 (Unwuchtbleche) sind hingegen nicht magnetisch leitend oder magnetisch isoliert, so dass der magnetische Fluss durch diese nicht kurzgeschlossen wird. In the first position, the portion 42 is magnetically coupled via the engagement portions 62b and 64b to the first pole 32a of the magnet 32, and the portion 44 is magnetically coupled via the engagement portions 66a and 68a to the second magnetic pole 32b. As a result of the magnetic coupling of the two flywheel masses 28 and 30, a magnetic yoke is thus formed, so that a magnetic flux with a first direction 69 in the flywheel body 12 passes through the coil 26 at the first position 60. In the second position 70, the magnetic coupling of the portion 42 through the engagement portions 62a and 64a with the second magnetic pole 32b and the portion 44 through the engagement portions 66b and 68b with the first magnetic pole 32a, so that the magnetic flux is a second direction 79, the the magnetic flux direction 69 is opposite, in Magnetj och and thus the coil 26 passes. In order to allow the magnetic flux in the magnetic yoke of the flywheels 28 and 30, a magnetically conductive material, such. Steel or iron used for sections 40, 42 and 44 and for members 35 and 37. The parts 34 and 36 (unbalance plates), however, are not magnetically conductive or magnetically isolated, so that the magnetic flux is not short-circuited by these.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Magnet 32 darüber hinaus derart angeordnet, dass derselbe eine Haltekraft FM auf die erste Schwungmasse 28 ausüben kann, um die erste Stellung 60 oder die zweite Stellung 70 zu fixieren. Des Weiteren weist der Abschnitt 42 der ersten Schwungmasse 28 einen Vorsprang 46a und einen Vorsprang 46b auf, mit welchen der Schwungkörper 12 bzw. gemäß dem vorliegenden Ausführangsbeispiel die Schwungmasse 28 auf eine Feder 48a eines ersten ge- federten Anschlags 57a am Umkehrpunkt 56a der Bewegungsbahn 21 bzw. eine gegenüberliegende Feder 48b eines zweiten gefederten Anschlags 57b am anderen Umkehrpunkt 56b der Bewegungsbahn 21 trifft. Die gefederten Anschläge 57a und 57b sind auf dem achsparallelen Abschnitt 24a des Gestells 24 angeordnet und werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Federn 48a bzw. 48b und zwei feste Anschläge 54a bzw. 54b gebildet. In this embodiment, the magnet 32 is further arranged such that it can exert a holding force F M on the first flywheel 28 to fix the first position 60 or the second position 70. Furthermore, the section 42 of the first flywheel 28 has a Vorsprang 46a and 48b Vorsprang, with which the flywheel 12 or according to the present Ausführangsbeispiel the flywheel 28 on a spring 48a of a first spring stop 57a at the reversal point 56a of the movement path 21st or an opposing spring 48b of a second spring-loaded stop 57b at the other reversal point 56b of the movement path 21 strikes. The sprung stops 57a and 57b are arranged on the axis-parallel portion 24a of the frame 24 and are formed in the present embodiment by the springs 48a and 48b and two fixed stoppers 54a and 54b, respectively.
Die Federn 48a und 48b sind somit bei diesem Ausführangsbeispiel an dem Gestell 24 auf der Höhe des zweiten Abschnitts 42 positioniert und stellen so zwei Umkehrpunkte 56a und 56b für den Schwungkörper 12 dar. Die Federhärte der Federn 48a und 48b sowie die Eingriffpunkte der Federn 48a und 48b auf der Bewegungsbahn 21, an denen die Schwungmasse 28 die Federn 48a bzw. 48b zu berühren und stauchen beginnt, sind über eine Stellschraube 50 variierbar. Des Weiteren können über zwei Stellschrauben 52a und 52b die Positionen der festen Anschläge 54a bzw. 54b auf der Bewegungsbahn 21 variiert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Feder-Masse-System, gebildet durch den Schwungkörper 12 und die Federn 48a und 48b, mittels der einstellbaren gefederten Anschläge 57a und 57b auf eine bestimmte Anregung x(t) hin, beispielsweise eine Beschleunigung oder eine Vibration, hin optimierbar ist, mit welcher die gesamte Vorrichtung 20 bzw. das Gestell 24 von außen, beispielsweise statistisch am häufigsten, bewegt wird. Nachdem im Vorherigen der Aufbau der Vorrichtung von Fig. 1 , Fig. 2a und Fig. 2b beschrieben worden ist, wird im Folgenden dessen Wirkungsweise beschrieben. The springs 48a and 48b are thus positioned on the frame 24 at the height of the second portion 42 in this Ausführangsbeispiel and thus represent two reversal points 56a and 56b for the flywheel 12. The spring rate of the springs 48a and 48b and the points of engagement of the springs 48a and 48b on the movement path 21, on which the flywheel 28, the springs 48a and 48b begins to touch and compress, are variable via an adjusting screw 50. Furthermore, the positions of the fixed stops 54a and 54b on the movement path 21 can be varied by means of two adjusting screws 52a and 52b. Here, it is advantageous that the spring-mass system, formed by the flywheel body 12 and the springs 48a and 48b, by means of the adjustable sprung stops 57a and 57b to a certain excitation x (t) out, for example, an acceleration or vibration, can be optimized, with which the entire device 20 and the frame 24 from the outside, for example statistically most often moved. Having described the structure of the device of FIGS. 1, 2a and 2b above, its operation will be described below.
Die Vorrichtung 20 kann bei diesem Ausführangsbeispiel durch eine äußere Anregung x(t) durch kinetische Energie zum Schwingen angeregt werden, so dass der Schwungkörper 12, bei der exemplarisch dargestellten Anregung x(t) beispielsweise in die Richtung A ausgelenkt wird. Infolge der Auslenkung des Schwungkörpers 12 auf der Bewegungsbahn 21 wird dieser zu dem ersten Umkehrpunkt 56a hinbewegt und durch den ersten gefederten Anschlag 57a in seiner Bewegungsrichtung umgekehrt. Die Umkehr der Bewegungsrichtung, beispielsweise an dem Umkehrpunkt 56a von Bewegung A nach Bewegung B, erfolgt dadurch, dass die kinetische Energie des Schwungkörpers 12 über den ersten Vorsprung 46a und unter Zuhilfenahme der Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 62b, 64b, 66a, und 68a auf die erste Feder 48a übertragen wird und dort als potenzielle Energie zwischenspeichert wird. Mittels der zwischengespeicherten potenziellen Energie wird die erste Schwungmasse 28 direkt durch die Federkraft Fp über den Vorsprung 46a in Richtung B beschleunigt und die zweite Schwungmasse 30 über die Eingriffnahmeabschnitte 62a, 64a, 62b, 64b, 66b und 68b der zwei Schwungmassen und/oder durch einen Impuls an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a bzw. 66b und 68b zwischen der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30. Durch die Beschleunigung wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, so dass der Schwungkörper 12 in Richtung B zum zweiten Umkehrpunkt 56b, die ebenfalls einen gefederten Anschlag aufweist, ausgelenkt wird. An diesem zweiten Anschlag 56b erfolgt wiederum eine Umkehrung der Bewegung, von Richtung B in Richtung A, des Schwungkörpers 12. The device 20 can be excited in this Ausführangsbeispiel by an external excitation x (t) by kinetic energy to vibrate, so that the flywheel body 12 is deflected, for example, in the direction A in the excitation x (t) shown by way of example. As a result of the deflection of the flywheel body 12 on the movement path 21, this is moved to the first reversal point 56a and reversed in its direction of movement by the first spring-loaded stop 57a. The reversal of the direction of movement, for example at the reversal point 56a from movement A to movement B, is effected by the kinetic energy of the flywheel body 12 via the first projection 46a and with the aid of the engagement sections 62a, 64a, 62b, 64b, 66a and 68a the first spring 48a is transmitted and there is cached as potential energy. By means of the cached potential energy, the first flywheel 28 is accelerated directly by the spring force Fp over the projection 46a in the direction B and the second flywheel 30 via the engagement portions 62a, 64a, 62b, 64b, 66b and 68b of the two flywheel masses and / or by a Momentum at the engagement portions 62a and 64a, and 66b and 68b between the first and second flywheels 28 and 30. By the acceleration, the potential energy is converted into kinetic energy, so that the flywheel 12 in the direction B to the second turning point 56b, which also a Has sprung stop, is deflected. At this second stop 56b, in turn, a reversal of the movement, from direction B in the direction A, of the flywheel body 12 takes place.
Bei der Umkehr des Schwungkörpers 12 werden Kräfte auf die Schwungmasse 12 ausgeübt, die die Haltekraft FM, durch die die Schwungmassen 28 und 30 in der ersten 60 oder zweiten Stellung 70 gehalten werden, überwinden, so dass eine Stellungsänderung, bei- spielsweise einer ersten Stellung 60, gemäß Fig. 2a, zu einer zweiten Stellung 70, gemäß Fig. 2b, erfolgt. When the flywheel 12 is reversed, forces are exerted on the flywheel 12, which overcome the holding force FM, by means of which the flywheels 28 and 30 are held in the first 60 or second position 70, so that a position change, for example a first position 60, according to FIG. 2a, to a second position 70, according to FIG. 2b.
Bei dem Energieübertrag der kinetischen Energie in potenzielle Energie am Umkehrpunkt 56a wird die erste Schwungmasse 28 mittels der Federkraft Fp über den Vorsprung 46a abgebremst, wobei sich die zweite Schwungmasse 30 aufgrund ihrer Trägheit und der dadurch erzeugten Trägheitskraft Fj auf der Bewegungsbahn 21 in Richtung A weiterbewegt und so der Eingriff an den hinteren Eingriffnahmeabschnitten 62b, 64b, 66a und 68a gelöst wird, wenn die Federkraft FF größer ist als die maximale Haltekraft FM des Magneten 32 und der Betrag der Haltekraft FM kleiner ist als der Betrag der Trägheitskraft FT der zvvei- ten Schwungmasse 30, die entgegengesetzt der Haltekraft FM wirkt. Hierdurch löst sich die zweite Schwungmasse 30 vom Eingriff mit der ersten Schwungmasse 28 und führt eine relative Bewegung gegenüber derselben durch, so dass sich eine Stellungsänderung von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 ergibt. Durch dieselbe Stellungsänderung erfolgt eine Umkehr der Richtung des magnetischen Flusses von der ersten Richtung 69 in die zweite entgegengesetzte Richtung 79, so dass aufgrund der Flussänderung ein Strom in die Spule induziert wird. Dieser Strom ist näherungsweise als Stromimpuls zu beschreiben, da er auf eine sehr kurze Zeit konzentriert ist. Vorteilhaft hierbei ist ein grundsätzlich hohes Spannungsniveau für die Vorrichtung 20, was eine effiziente Energieumwandlung ermöglicht. In the energy transfer of the kinetic energy into potential energy at the reversal point 56a, the first flywheel 28 is decelerated via the projection 46a by means of the spring force Fp, the second flywheel 30 moving on the movement path 21 in the direction A due to its inertia and the inertia force Fj generated thereby and thus the engagement on the rear engaging portions 62b, 64b, 66a and 68a is released when the spring force F F is greater than the maximum holding force FM of the magnet 32 and the amount of the holding force FM is smaller than the amount of the inertia force F T of the zvvei - Flywheel 30, which acts opposite to the holding force FM. As a result, the second flywheel 30 releases from engagement with the first flywheel 28 and performs a relative movement with respect to the same, so that a position change from the first position 60 results in the second position 70. By the same position change, the direction of the magnetic flux from the first direction 69 to the second opposite direction 79 is reversed, so that a current is induced in the coil due to the flux change. This current is approximately to be described as a current pulse, since it is concentrated on a very short time. The advantage here is a generally high voltage level for the device 20, which enables efficient energy conversion.
Im Folgenden wird Bezug nehmend auf Fig. 4a - 4d ein weiteres Ausführungsbeispiel anhand eines vereinfachten Ersatzmodeiis erläutert, das sich von dem vorher erläuterten dadurch unterscheidet, dass die Federn 48a bzw. 48b nicht auf die Schwungmasse 28, son- dem auf die Schwungmasse 30 wirken. Um die Übertragbarkeit des vereinfachten Ersatz- modells von Fig. 4a - 4d auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 , Fig. 2a und Fig. 2b herzustellen, wird vorher in Fig. 3 ein vereinfachtes Ersatzmodel 1 des beschriebenen Ausführungsbeispiels, das in Fig.l, Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt ist, erläutert. In the following, with reference to FIGS. 4a-4d, a further exemplary embodiment will be explained with reference to a simplified substitute mode, which differs from that explained above in that the springs 48a or 48b are not dependent on the flywheel 28, but on the other hand. which act on the flywheel 30. In order to produce the transferability of the simplified substitute model of FIGS. 4a-4d to the embodiment of FIGS. 1, 2a and 2b, a simplified substitute model 1 of the described exemplary embodiment, which is shown in FIG , Fig. 2a and Fig. 2b, explained.
Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzmodell der Vorrichtung 20 zur Veranschaulichung der wirkenden Kräfte auf die Schwungmassen 28 und 30. Der Schwungkörper 12 ist hier als in dem Gestell 24 translatorisch gelagert dargestellt, wobei die Lagerung eben auch rotorisch sein kann wie bezüglich Fig. 1 beschrieben wurde. Die letztere weist einen translatorisch beweglichen ersten Wagen mit einer Masse ml, der hinsichtlich Kraftwirkung und Eingriff der ersten Schwungmasse 28 entspricht, sowie einen zweiten, von dem ersten Wagen eingeschlossenen Wagen mit einer Masse m2, der der zweiten Schwungmasse 30 von Fig. 1 und Fig. 2 entspricht, auf. Analog zu den Schwungmassen 28 und 30 in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 sind die zwei Wagen relativ zueinander bewegbar, wobei der erste Wagen den zweiten Wagen in seiner Bewegung beschränkt. Diese zwei Schwungmassen (Wagen) bewegen sich auf einer (hier vereinfacht) geradlinigen Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten 56a und 56b, die durch die gefederte Anschläge 57a und 57b bzw. die zwei Federn 48a und 48b mit einer Federhärte k realisiert sind. FIG. 3 shows a simplified substitute model of the device 20 for illustrating the forces acting on the flywheels 28 and 30. The flywheel body 12 is here shown to be translationally mounted in the frame 24, wherein the bearing may just as well be rotor-like as described with respect to FIG has been. The latter has a translationally movable first carriage with a mass ml which corresponds in force and engagement to the first flywheel 28 and a second carriage enclosed by the first carriage and having a mass m2 which corresponds to the second flywheel 30 of FIG. 1 and FIG 2 corresponds to. Analogous to the flywheels 28 and 30 in the embodiment of Fig. 1 and Fig. 2, the two cars are movable relative to each other, wherein the first carriage limits the second carriage in its movement. These two flywheels (carriages) move on a (here simplified) trajectory 82 between the two reversal points 56a and 56b, which are realized by the sprung stops 57a and 57b and the two springs 48a and 48b with a spring rate k.
Auf der zweiten Schwungmasse 30 ist der Magnet 32 mit den zwei Polen 32a und 32b vorgesehen, die hier gleichzeitig die Eingriffnahmeabschnitte 62a und 62b bilden und mit den Eingriffnahmeabschnitten 64a bzw. 64b der zweiten Schwungmasse 30 in Eingriff stehen können. Der Magnet 32 fixiert mitteis der magnetischen Haltekraft FM die erste Stellung 60 oder die zweite Stellung 70 der zwei Schwungmassen 28 und 30 relativ zueinander. On the second flywheel 30, the magnet 32 is provided with the two poles 32a and 32b, which simultaneously form here the engagement portions 62a and 62b and can be engaged with the engagement portions 64a and 64b of the second flywheel 30, respectively. The magnet 32 fixes, by means of the magnetic holding force FM, the first position 60 or the second position 70 of the two flywheel masses 28 and 30 relative to one another.
An den Umkehrpunkten 56a und 56b erfolgen die Umkehr der Bewegungsrichtung und die Stellungsänderung von der ersten Stellung 60, bei der die Eingriffnahmeabschnitte 62b und 64b in Eingriff sind, in die Stellung 70, bei der Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a in Eingriff sind, analog zu Fig. 1 und Fig. 2. At the reversal points 56a and 56b, the reversal of the direction of movement and the change in position from the first position 60, in which the engagement portions 62b and 64b are engaged, to the position 70 where the engagement portions 62a and 64a are engaged are analogous to FIG. 1 and FIG. 2.
Fig. 4a zeigt nun eine schematische Darstellung eines Ersatzmodells eines alternativen Ausführungsbeispiels mit dem Schwungkörper 12, der nun analog zur Fig. 3 als auf einer translatorischen Bewegungsbahn zwischen den Umkehrpunkten 56a und 56b bewegbar dargestellt ist, aber strukturell wie in Fig. 1 , Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt rotorisch gelagert sein kann. Im Gegensatz zum in Fig. 3 ausgeführten Ausführungsbeispiel wirken die gefederten Anschläge 57a und 57b bzw. zwei Federn 48a und 48b nicht auf die erste Schwungmasse 28, sondern auf die zweite Schwungmasse 30. Die Feder 48a an dem Um- kehrpunkt 56a und die Feder 48b an dem Umkehrpunkt 56b sind hierbei derart ausgeführt, dass sie auf die zweite Schwungmasse 30 wirken können. In Fig. 4a befinden sich die beiden Schwungmassen 28 und 30 jeweils in der Mitte der Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten 56a und 56b und nicht in Eingriff miteinander. Im Übrigen kann der dargestellte Aufbau Bezug nehmend auf Fig. 3 bzw. Bezug nehmend auf Fig. 1 und Fig. 2 dem dort dargestellten Aufbau entsprechen. FIG. 4a now shows a schematic representation of a replacement model of an alternative exemplary embodiment with the flywheel body 12, which is shown as being movable in a translatory movement path between the reversal points 56a and 56b analogously to FIG. 3, but structurally as in FIG. 1, FIG. 2a and Fig. 2b can be shown rotorically mounted. In contrast to the embodiment shown in FIG. 3, the spring-loaded stops 57a and 57b or two springs 48a and 48b do not act on the first flywheel 28 but on the second flywheel 30. The spring 48a on the flywheel Return point 56a and the spring 48b at the reversal point 56b are in this case designed such that they can act on the second flywheel 30. In Fig. 4a, the two flywheel masses 28 and 30 are respectively in the middle of the trajectory 82 between the two reversal points 56a and 56b and not in engagement with each other. Incidentally, the construction shown can refer to FIG. 3 or refer to FIG. 1 and FIG. 2 to the construction shown there.
Die zwei Stellungen 60 und 70 der Schwungmassen 28 und 30 zueinander, die sich abhängig von ihrer Bewegungsrichtung einstellen, sind im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entgegengesetzt. D.h., die zwei Schwungmassen 28 und 30 weisen bei einer Bewegung in Richtung A eine zweite Stellung 70, nämlich eine in Bewegungsrichtung vordere Stellung, und bei einer Bewegung in Richtung B eine erste in Bewegungsrichtung vordere Stellung 60 auf. Auf die wirkenden Kräfte bei der Stellungsänderang an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a sowie an den Eingriffnahmeabschnitten 62b und 64b für dieses Ausführungsbeispiel wird in Fig. 4c und Fig. 4d genauer eingegangen. In dieser Darstellung sind darüber hinaus eine Dämpfung de zwischen der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 sowie ein Dämpfung dm, die auf den Schwungkörper 12 wirkt und sich aus den Dämpfungsbestandteilen dmi, mit welchem die erste Schwungmasse 28 gedämpft wird, und dm2, mit welchem die zweite Schwungmasse 30 gedämpft wird, zusammensetzt, dargestellt. Die Dämpfung der ersten und zweiten Schwungmasse 28 und 30 symbolisiert die Energieentnahme bei der Umwandlung der kinetischen Energie in e- lektrische Energie durch die Induktion eines Stroms in die Spule 26 und/oder den Energieverlust, der beispielsweise mittels Reibung verursacht wird. Fig. 4b zeigt einen Graphen der Haltekraft FM in Abhängigkeit zu der absoluten Position xt - x2 des Schwungkörpers 12, wobei xi(t) die Position der ersten Schwungmasse 28 und x2(t) die Position die der zweiten Schwungmasse 30 beschreibt. An dem Nullpunkt des Diagramms befinden sich beide Schwungmassen 28 und 30 in der Mitte der Bewegungsbahn 82 zwischen den zwei Umkehrpunkten56a und 56b, wie in Fig. 4a dargestellt ist. Im Bereich zwischen 108a und 108b befinden sich die Schwungmassen in Eingriff mit der Feder 48a bzw. 48b. Der Schwungkörpers 12 befindet sich unterhalb der Position 108a bei der Stellungsänderung der ersten Stellung 60 zur zweiten Position 70 und oberhalb der Position 108b bei der Stellungsänderung von der zweiten Stellung 70 in die erste Stellung 60. The two positions 60 and 70 of the flywheels 28 and 30 to each other, which adjust depending on their direction of movement, in contrast to the embodiment shown in Fig. 3 are opposite. That is, the two flywheel masses 28 and 30 have a second position 70 in a movement in the direction A, namely a front position in the direction of movement, and a movement in the direction B, a first in the direction of movement forward position 60. The acting forces at the position change at the engaging portions 62a and 64a and at the engaging portions 62b and 64b for this embodiment are discussed in more detail in Figs. 4c and 4d. In this representation, in addition, a damping d e between the first and second flywheel mass 28 and 30 and a damping d m that acts on the swing body 12 and d m i, is attenuated by said first flywheel mass 28 from the damping components, and d m2 , with which the second flywheel 30 is damped, composed, shown. The attenuation of the first and second flywheels 28 and 30 symbolizes the energy extraction in the conversion of the kinetic energy in e- lectric energy by the induction of a current in the coil 26 and / or the energy loss, which is caused for example by friction. 4b shows a graph of the holding force F M as a function of the absolute position x t - x 2 of the flywheel body 12, where xi (t) describes the position of the first flywheel 28 and x 2 (t) describes the position of the second flywheel 30 , At the zero point of the diagram, both flywheels 28 and 30 are located in the middle of the trajectory 82 between the two turning points 56a and 56b, as shown in Fig. 4a. In the area between 108a and 108b, the flywheels are engaged with the spring 48a and 48b, respectively. The flywheel body 12 is located below the position 108a in the position change of the first position 60 to the second position 70 and above the position 108b in the position change from the second position 70 to the first position 60th
Es ist zu erkennen, dass im Bereich zwischen den Positionen 108a und 108b, in dem die zwei Schwungmassen entweder in der ersten Stellung 60 oder in der zweiten Stellung 70 fixiert sind, keine Haltekraft FM wirkt, da sich in diesem Bereich die beiden Schwungmas- sen 28 und 30 parallel auf der Bewegungsbahn bewegen und keine weitere Kraft auf einen der beiden Schwungmassen wirkt. Außerhalb des Bereichs von 108a bis 108b bewegen sich die zwei Schwungmassen 28 und 30 in Folge einer Federkraft Fp durch die Feder 48a oder 48b und in Folge einer Trägheitskraft F r, die entgegen der Federkraft FF wirkt, relativ zueinander, so dass die Haltekraft FM zunimmt. Diese wächst in ihrem Betrag bis zum Maximum, welches kleiner als die wirkende Trägheitskraft Fx bzw. Federkraft Fp ist, an dem der Eingriff der Eingri ffnahmeabschnitte sich löst und die Stellungsänderung erfolgt, so dass die Haltekraft FM schlagartig auf Null absinkt. Fig. 4c zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 4a, welche sich in der zweiten Stellung 70 kurz vor der Stel lungsänderung an dem Umkehrpunkt 56a befindet. In der ersten Stellung 70 befindet sich der Eingriffnahmeabschnitt 64a der ersten Schwungmasse 28 mit dem Eingriffnahmeabschnitt 62a der zweiten Schwungmasse 30 in Eingriff. Auf die zweite Schwungmasse 30 wirkt die Federkraft FF der Feder 48a entgegen der Trägheitskraft Fj der ersten Schwungmasse 28, so dass der Eingriff an den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a gelöst wird, wenn die Federkraft FF größer ist als die Haltekraft FM zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 62a und 64a und wenn Haltekraft FM in ihrem Betrag größer ist als die entgegengesetzte Trägheitskraft ¥j, die auf die ersten Schwungmasse 28 wirkt. Beim Lösen des Eingriff der Eingriffnahmeabschnitte 62a und 64a bewegen sich die zwei Schwungmassen 28 und 30 relativ zueinander, so dass die Stellungsänderung erfolgt. It can be seen that in the region between the positions 108a and 108b, in which the two masses of inertia are fixed either in the first position 60 or in the second position 70, no holding force FM acts, since in this region the two momentum masses Move sen 28 and 30 parallel on the trajectory and no further force acts on one of the two flywheel masses. About 28 and 30 outside the range of 108a to 108b move the two flywheel masses as a result of spring force Fp by the spring 48a or 48b, and as a result of an inertial force F r which acts against the spring force F F, relative to each other, so that the retaining force F M increases. This increases in its amount to the maximum, which is smaller than the acting inertial force Fx or spring force Fp at which the engagement of the Eingri receiving sections dissolves and the change in position occurs, so that the holding force FM abruptly drops to zero. Fig. 4c shows the device of FIG. 4a, which is in the second position 70 shortly before the Stel change in position at the reversal point 56 a. In the first position 70, the engagement portion 64a of the first flywheel 28 is engaged with the engagement portion 62a of the second flywheel 30. On the second flywheel 30, the spring force FF of the spring 48a counteracts the inertia force Fj of the first flywheel 28, so that the engagement on the engagement portions 62a and 64a is released when the spring force FF is greater than the holding force FM between the engagement portions 62a and 64a and when holding force F M is greater in magnitude than the opposite inertia force ¥ j acting on the first flywheel 28. Upon release of the engagement of the engagement portions 62a and 64a, the two flywheels 28 and 30 move relative to each other so that the positional change occurs.
Fig. 4d zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 4a in der ersten Stellung 60 nach dem Stellungsänderung an dem Umkehrpunkt 56a. In der ersten Stellung 60 befindet sich die Eingriffnahmeabschnitte 62b der zweiten Schwungmasse 30 und 64b der ersten Schwungmasse 28 in Eingriff. FIG. 4 d shows the device according to FIG. 4 a in the first position 60 after the position change at the reversal point 56 a. In the first position 60, the engagement portions 62b of the second flywheel 30 and 64b of the first flywheel 28 is engaged.
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel von Fig. 4a - 4d erfolgt die Änderung der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 also, indem die zweite Schwungmasse 30 mittels der Feder 48a in ihrer Bewegung umgekehrt wird und die erste Schwungmasse 28 mittels der magne- tischen Haltekraft FM zwischen den Eingri fTnahmeabschnitten 62a und 64a und/oder mittels einer Impulskraft zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 62b und 64b von der zweiten Schwungmasse 30 auf die ersten Schwungmasse 28 in ihrer Bewegung umgekehrt wird. Fig. 5a zeigt ein schematisches Diagramm der Federkraft FF in Abhängigkeit von einem Auslenkungswinkel φ für eine Vorrichtung 20 für das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Bei diesem Diagramm sind drei parallele, lineare Kennlinien für verschiedene Federeingriffpunkte dargestellt. Ein Graph 112 zeigt eine Kennlinie mit einem frühen Eingriffpunkt auf der Bewegungsbahn 21 des gefederten Anschlags 57a bzw. 57b, während ein Graph 114 einen späten Eingriffpunkt auf der Bewegungsbahn 2 Idarstellt. Demzufolge kann ein früher Eingriffpunkt die Umkehrpunkte 56a und 56b auf der Bewegungsbahn verschieben, wenn die Haltekraft F und die Massenträgheitsmomente Ji und J2 entsprechend dimensi- oniert sind. Der maximale Auslenkungswinkel φ auf der Bewegungsbahn wird durch den festen Anschlag 54 a bzw. 54b begrenzt, was durch die Linie 116 gezeigt wird. Bezug nehmend auf Fig. 1 kann der Eingriffpunkt der Feder 48a bzw. 48b über die Einstellschraube 50 variiert werden. Fig. 5b zeigt die Federkraft FF in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel φ für drei verschiedene Positionen des festen Anschlags 54 bzw. 54b, Bezug nehmend auf Fig. 1. Hierbei stellt eine Linie 118 eine frühe Anschlagsposition auf der Bewegungsbahn 2 Idar und eine Linie 122 einen späten Anschlagspunkt auf der Bewegungsbahn. Es ist zu erkennen, dass die Federkraft Ff, die auf den Schwungkörper 12 wirkt, in Abhängigkeit vom Auslen- kungswinkel φ linear zunimmt bis der Schwungkörper 12 auf den festen Anschlag 54a bzw. 54b trifft, dargestellt durch die Linien 118 bzw. 122, bei dem die Kraft ins Unendliche wächst. Bei den festen Anschlägen 54 und 54b erfolgt spätestens die Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30, solange die Trägheitskraft ¥j der zweiten Schwungmasse 86 größer ist als die Haltekraft FM zwischen den Schwungmassen 84 und 86. Bezug nehmend auf Fig. 1 kann der Anschlag 54a bzw. 54b über die Einstellschrauben 52a bzw. 52b variiert werden. In the exemplary embodiment of FIG. 4a - 4d, then, the change of the direction of movement of the flywheel body 12 is carried by the second flywheel 30 is reversed by means of the spring 48a in its movement and 28 fTnahmeabschnitten the first flywheel mass by means of the magnetically tables retaining force F M between the Eingri 62a and 64a and / or by means of an impulse force between the engagement portions 62b and 64b is reversed from the second flywheel 30 to the first flywheel 28 in its movement. 5a shows a schematic diagram of the spring force FF as a function of a deflection angle φ for a device 20 for the embodiment of FIG. 1. In this diagram, three parallel, linear characteristics for different spring engagement points are shown. A graph 112 shows a characteristic with an early engagement point the trajectory 21 of the sprung stop 57a and 57b, respectively, while a graph 114 represents a late point of engagement on the trajectory 2 Id. Consequently, an early point of engagement can shift the reversal points 56a and 56b on the path of movement if the holding force F and the mass moments of inertia Ji and J 2 are dimensioned accordingly. The maximum deflection angle φ on the trajectory is limited by the fixed stop 54 a or 54 b, which is shown by the line 116. Referring to FIG. 1, the point of engagement of the springs 48a and 48b, respectively, may be varied via the adjustment screw 50. Fig. 5b shows the spring force FF as a function of the deflection angle φ for three different positions of the fixed stop 54 and 54b, referring to Fig. 1. Here, a line 118 represents an early stop position on the trajectory 2 Idar and a line 122 a late one Lifting point on the trajectory. It can be seen that the spring force F f , which acts on the flywheel body 12, increases linearly as a function of the deflection angle φ until the flywheel body 12 strikes the fixed stop 54 a or 54 b, represented by the lines 118 and 122, respectively. where the power grows to infinity. In the case of the fixed stops 54 and 54b, the positional change of the two flywheel masses 28 and 30 takes place at the latest as long as the inertia force ¥ j of the second flywheel mass 86 is greater than the holding force F M between the flywheel masses 84 and 86. Referring to FIG 54a and 54b are varied via the adjusting screws 52a and 52b, respectively.
Fig. 5c zeigt die Federkraft FF in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel φ für drei verschiedene Federhärten k. Ein Graph 124 stellt gegenüber einem Graph 126 eine Zunahme der Federhärte k der Federn 48a bzw. 48b dar. Diese Federhärte k ist beispielsweise mittels einer Vorspannung oder einer variierenden Anzahl an Federbalken einstellbar. Bezug nehmend auf Fig. 1 kann für die Feder 48a bzw. 48b über die Einstellschraube 50 die Federhärte k durch die Vorspannung variiert werden. Über diese drei Einstellmöglichkeiten, Einstellung der Federeingriffpunkte, Einstellung der Position des Anschlags und die Einstellung der Federhärte k, kann die Charakteristik des gefederten Anschlags 56a und 56b und damit das Schwingungsverhalten beispielsweise von 12 angepasst werden, so dass bei einer Anregung möglichst viele Kontakte mit den Umkehrpunkten 56a und 56b ermöglicht werden. Hierbei kann eine maximale Anzahl an S teil ungsänderungen und an Änderungen der magnetischen Flussrichtung erreicht werden, was die Effizienz der Vorrichtung positiv beeinflusst. Fig. 6a zeigt eine schematische Darstellung einer Anregungsfunktion y(t) eines exemplarischen Roboter-Bewegungsprofils für eine Vorrichtung 20 zu Simulationszwecken. Hierbei ist die Auslenkung der Vorrichtung 20 über die Zeit aufgetragen. Bei dieser Anregungsfunktion y(t) wird die Vorrichtung 20 einmalig um ca. 40 cm ausgelenkt und so zum Schwingen angeregt. Fig. 5c shows the spring force F F in function of the deflection angle φ for three different spring rates k. A graph 124 illustrates an increase in the spring rate k of the springs 48a and 48b relative to a graph 126. This spring rate k is adjustable, for example, by means of a bias or a varying number of cantilevers. Referring to FIG. 1, for the springs 48a and 48b, respectively, via the adjusting screw 50, the spring hardness k can be varied by the bias voltage. About these three settings, adjustment of the spring engagement points, adjustment of the position of the stop and the adjustment of the spring rate k, the characteristic of the sprung stop 56a and 56b and thus the vibration behavior of 12, for example, be adapted so that when excited as many contacts with the Turning points 56a and 56b are made possible. In this case, a maximum number of S ungs ungs changes and changes in the magnetic flow direction can be achieved, which positively affects the efficiency of the device. 6a shows a schematic illustration of an excitation function y (t) of an exemplary robot motion profile for a device 20 for simulation purposes. Here, the deflection of the device 20 is plotted over time. In this excitation function y (t), the device 20 is deflected once by about 40 cm and thus excited to vibrate.
Fig. 6b zeigt ein errechnetes Schwingungsverhalten der Vorrichtung 20 in Folge der bezüglich Fig. 6a beschriebenen Anregungsfunktion y(t). In Folge einer Auslenkung bei Anregungsfunktion y(t) weist der Schwungkörper 12 ein Schwingungsverhalten mit insge- samt elf Kontaktwechsel an den Umkehrpunkten bzw. elf Stellungsänderungen auf, bei welchen jeweils ein Stromimpuls in die Spule induziert wird. Die Dauer, in der der Stromimpuls induziert wird, variiert über die Schwingung. FIG. 6b shows a calculated vibration behavior of the device 20 as a consequence of the excitation function y (t) described with reference to FIG. 6a. As a result of a deflection with excitation function y (t), the flywheel body 12 has a vibration behavior with a total of eleven contact changes at the reversal points or eleven position changes, in which a current pulse is in each case induced in the coil. The duration in which the current pulse is induced varies over the oscillation.
Dieses mittels einer Simulation ermittelte Schwingungsverhalten bestätigen die Einsetz- barkeit des obigen Ausführungsbeispiels. Die Strompulse liegen nach einer Abschätzung bei ca. 10 mW für ca. 10 ms. Die gewandelte Energie wird hiermit auf eine sehr kurze Zeit konzentriert. Dadurch können Spannungs- und Leistungsprobleme reduziert werden. This vibration behavior determined by means of a simulation confirms the applicability of the above exemplary embodiment. The current pulses are estimated at about 10 mW for about 10 ms. The converted energy is hereby concentrated on a very short time. This can reduce voltage and power problems.
Nachdem im Vorherigen der Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden im Folgenden alternative Ausführungen der Erfindung erläutert. Having described the structure of the present invention in the foregoing, alternative embodiments of the invention will be explained below.
Alternativ zum in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wäre auch eine Vorrichtung denkbar, bei der der Vorsprung 46a bzw. 46b nicht im zweiten Abschnitt 42 auf der Schwungmasse 28, sondern im dritten Abschnitt 44 auf der Schwungmasse 28 ausgebildet ist, wobei dann die gefederten Anschläge 57a bzw. 57b, gebildet durch die Federn 48a bzw. 48b und den Anschlag 54a und 54b, entsprechend auf der gegenüberl legenden Seite des Gestells 24 vorgesehen wären. As an alternative to the embodiment shown in FIG. 1, a device would also be conceivable in which the projection 46a or 46b is not formed in the second section 42 on the flywheel 28, but in the third section 44 on the flywheel 28, in which case the sprung stops 57a or 57b, formed by the springs 48a and 48b and the stop 54a and 54b, respectively, would be provided on the gegenüberl laying side of the frame 24.
Ebenso wäre es analog zum Ausführungsbeispiel in Fig. 4 denkbar, dass die gefederten Anschläge 56a und 56b nicht auf die Schwungmasse 28, sondern auf die Schwungmasse 30 zur Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers 12 und zur Stel lungsänderung der beiden Schwungmassen 28 und 30 wirkt, in diesem Fall würden die zwei Schwungmassen 28 und 30 an dem ersten Umkehrpunkt 56a von der zweiten Stellung 70 gemäß Fig. 2b in die erste Stellung 60 gemäß Fig. 2a wechseln und an dem zweiten Umkehrpunkt 56b von der ersten Stellung 60 in die zweite Stellung 70 wechseln. Gleichzeitig würde an den Umkehrpunkten bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Änderung der magnetischen Flussrichtung erfolgen, wobei an dem Umkehrpunkt 56a sich der Fiuss von der zweiten Richtung in die entgegengesetzte erste Richtung umkehren würde und der magne- tische Fluss sich an dem zweiten Umkehrpunkt 56b von der ersten in die entgegengesetzte zweite Richtung umkehren würde. Bei diesem Ausführungsbeispiel wären die gefederten Anschläge 57a, 57b entsprechend am Gesteil 24 positioniert, so dass diese beispielsweise auf eine der Teile 34 oder 36 der Schwungmasse 30 oder direkt auf die Schwungmasse 30 wirken. Likewise, it would be analogous to the embodiment in Fig. 4 conceivable that the spring-loaded stoppers 56 a and 56 b not on the flywheel 28, but on the flywheel 30 for reversing the direction of movement of the flywheel body 12 and the Stel ment change the two flywheels 28 and 30 acts in In this case, the two flywheel masses 28 and 30 at the first reversal point 56a would change from the second position 70 according to FIG. 2b to the first position 60 according to FIG. 2a and change at the second reversal point 56b from the first position 60 to the second position 70 , At the same time, a reversal of the magnetic flux direction would also take place at the reversal points in this exemplary embodiment, whereby at the reversal point 56a the flux would reverse from the second direction to the opposite first direction and the magnetic field would be reversed. would reverse at the second reversal point 56b from the first to the opposite second direction. In this embodiment, the sprung stoppers 57a, 57b would be respectively positioned on the track 24 so that they act, for example, on one of the parts 34 or 36 of the flywheel 30 or directly on the flywheel 30.
Alternativ wäre es denkbar, dass die Vorrichtung 20 anstelle der Einstellungsschrauben 52a und 52b für den Anschlag und anstelle der Einstellungsschraube 50 für die Federhärte k und den Eingriffpunkt der Federn 48a und 48b ausschließlich zwei gefederte Anschläge oder Federn mit festen Parametern für Eingriffpunkte, Anschlag und Federhärte k vorgesehen wären. Alternatively, it would be conceivable that the device 20 instead of the adjusting screws 52a and 52b for the stop and instead of the adjustment screw 50 for the spring rate k and the point of engagement of the springs 48a and 48b only two spring-loaded stops or springs with fixed parameters for engagement points, stop and spring hardness k would be provided.
Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel wäre es, dass die Federn 48a und 48b anstelle am Gestell 24 am Schwungkörper 12 ausgebildet sein könnten. A further alternative embodiment would be that the springs 48a and 48b could be formed on the flywheel body 12 instead of the frame 24.
Anstelle der bei dem Ausfuhrungsbeispiel aus Fig. 1 mittels zwei Federn 48a und 48b ausgebildeten gefederten Anschläge 57a und 57b könnten diese alternativ mit nur einer Feder, die die beiden Umkehrpunkte 56a und 56b auf der Bewegungsbahn 21 definiert, ausgeführt werden. Instead of the spring-loaded stops 57a and 57b formed in the exemplary embodiment from FIG. 1 by means of two springs 48a and 48b, they could alternatively be designed with only one spring which defines the two reversal points 56a and 56b on the movement path 21.
Eine weitere denkbare Alternative bezüglich des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei- spiels wäre es, auf die gefederten Anschläge 57a und 57b oder die Federn 48a und 48b an den Umkehrpunkten 56a und 56b gänzlich zu verzichten und eine auf der Achse 22 angeordnete Schenkelfeder, die auf Torsion belastet wird, vorzusehen, so dass diese in Eingriff entweder mit der Schwungmasse 28 und/oder mit der Schwungmasse 30 ist und die Umkehr des Schwungkörpers 12 an den Umkchrpunkten verursacht und/oder die Stellungsänderung der Schwungmassen 28 und 30 auslöst. Another conceivable alternative with respect to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1 would be to completely dispense with the sprung stops 57a and 57b or the springs 48a and 48b at the reversal points 56a and 56b and a leg spring arranged on the axle 22 Torsion is provided to provide, so that it is in engagement with either the flywheel 28 and / or the flywheel 30 and causes the reversal of the flywheel body 12 at the Umkchrpunkten and / or the change in position of the flywheels 28 and 30 triggers.
Entgegen der Beschreibung kann das dargestellte Gestell 24 alternativ durch eine einteilige Konstruktion realisiert sein. Ebenso ist es möglich, dass die Schwungmasse 28 sowie die Schwungmasse 30 aus Einzelbauteilen bestehen könnten. Contrary to the description, the illustrated frame 24 may alternatively be realized by a one-piece construction. It is also possible that the flywheel 28 and the flywheel 30 could consist of individual components.
Ein weitere Ausfuhrungsalternative wäre es, eine der beiden Schwungmassen 28 oder 30 direkt auf der Achse 22 zu befestigen und die Achse 22 rotorisch im Gestell 24 zu lagern, während die andere Schwungmasse 28 oder 30 rotorisch auf der Achse 22 gelagert ist, um ein Relativbewegung der zwei Schwungmassen 28 und 30 zu ermöglichen. Alternativ wäre es bezüglich dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel auch denkbar, dass die zweite Schwungmasse 30 teilweise mittels der Haltekraft FM zwischen den Eingriffnahmeabschnitten 64b ersten Schwungmasse 28 und 62b der zweiten Schwungmasse 30 bei der Stellungsänderung ersten Stellung 60 in zweite Stellung 70 in Richtung B oder die Eingriffnahmeabschnitte 62a der zweiten Schwungmasse 30 und 64a ersten Schwungmasse 20 bei der Stellungsänderung zweiten Stellung 70 in erste Stellung 60 in Richtung A beschleunigt werden. Another alternative embodiment would be to attach one of the two masses 28 or 30 directly on the axis 22 and the axis 22 to store rotor 24 in the frame, while the other flywheel 28 or 30 is rotatably mounted on the axis 22 to a relative movement of the to allow two flywheels 28 and 30. Alternatively, it would also be conceivable with respect to the embodiment described in Fig. 1 that the second flywheel 30 partially by means of the holding force FM between the engagement portions 64b first flywheel 28 and 62b of the second flywheel 30 in the position change first position 60 in second position 70 in direction B. or the engagement portions 62a of the second flywheel 30 and 64a first flywheel 20 are accelerated in the position change second position 70 in the first position 60 in the direction A.
Für den Fachmann ist es offenkundig, dass der Schwungkörper 12 bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausiührungsbeispiel durch verschiedene Anregungsformen wie z.B. eine Vibration, eine Beschleunigung, einen Impuls oder eine Gewichtskraft mit kinetischer Energie anregbar ist. Hierbei ist jede Kraftrichtung möglich, die nicht parallel zur Achse 22 verläuft. Hinsichtlich des in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wäre es alternativ auch denkbar, dass der Magnet 32 anstelle auf der zweiten Schwungmasse 30 auf der ersten Schwungmasse 28 ausgebildet wird, so dass die Richtung des magnetischen Flusses in einer ersten Stellung 60 der beiden Schwungmassen 28 und 30 zueinander eine erste Richtung 69 hat und in einer zweiten Stellung der zwei Schwungmassen zueinander eine entgegengesetzte zweite Richtung 79 hat. Bei dieser Alternative kann der Magnet 32 ebenfalls die erste oder zweite Stellung durch sein Haltekraft bzw. Magnetkraft fixieren. It will be apparent to those skilled in the art that in the embodiment shown in Figs. 1 and 2, the flywheel body 12 may be replaced by various forms of excitation, such as e.g. a vibration, an acceleration, a momentum or a weight force with kinetic energy is excitable. Here, any direction of force is possible, which is not parallel to the axis 22. With regard to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1, 2, 3 and 4, it would alternatively also be conceivable for the magnet 32 to be formed on the first flywheel 28 instead of the second flywheel 30, so that the direction of the magnetic Flow in a first position 60 of the two masses 28 and 30 to each other has a first direction 69 and in a second position of the two masses to each other an opposite second direction 79 has. In this alternative, the magnet 32 can also fix the first or second position by its holding force or magnetic force.
Alternativ wäre es bei der vorliegenden Erfmdimg auch denkbar, dass der Schwungkörper 12 und damit die Schwungmassen 28 und 30 bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 an- statt auf einer rotorischen Bahn um eine Achse 22 auf einer translatorischen, geraden Bewegungsbahn 21 mit zwei Umkehrpunkten zum Ausschwingen angeregt werden, wie es in den Ersätzmodell aus Fig. 3 und Fig. 4 schematisch beschrieben ist. Alternatively, it would also be conceivable in the present invention that the flywheel body 12 and thus the flywheels 28 and 30 in the embodiment of Fig. 1 instead of on a rotor orbit about an axis 22 on a translational, straight trajectory 21 with two reversal points Ausschwingen be excited, as described schematically in the replacement model of Fig. 3 and Fig. 4.
Ebenso ist bei den Ausführungsbeispielen aus Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 anzumerken, dass anstelle der auf Druck beanspruchten Federn 48a und 48b auch auf Zug beanspruchte Federn die zwischen dem Umkehrpunkt 56a und 56b zu der Umkehr bzw. zu der Stellungsänderung der zwei Schwungmassen 28 und 30 zueinander verwendet werden könnten, wenn diese beispielsweise zwischen dem Schwungkörper 12 und dem Gestell 24 befestigt wären. It should also be noted in the embodiments of Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4 that instead of the pressure-loaded springs 48 a and 48 b also claimed to train springs between the reversal point 56 a and 56 b to the reversal or could be used to the change in position of the two masses 28 and 30 to each other, for example, if they were attached between the flywheel body 12 and the frame 24.

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung (20) zur Umwandlung kinetischer Energie in elektrische Energie, mit folgenden Merkmalen: einer Spule (26); einem Schwungkörper (12) mit einer ersten Schwungmasse (28) und einer zweiten Schwungmasse (30), die relativ zueinander zwischen einer ersten Stellung (60), in der Eingriffnahmeabschnitte (62b, 64b, 66a, 68a) der ersten und zweiten Schwungmasse (28, 30) in Eingriff sind, und einer zweiten Stellung (70), in der andere Eingriffnahmeabschnitte (62a, 64a, 66b, 68b) der ersten und zweiten Schwungmasse (28, 30) in Eingriff sind, bewegbar sind, wobei der Schwungkörper (12) einen Magneten (32) aufweist und relativ zu der Spule (26) auf einer Bewegungsbahn (21) mit zwei Umkehrpunkten (56a, 56b) bewegbar ist, um einen Strom in der Spule (26) zu induzieren, wobei der Schwungkörper einen magnetischen Fluss durch die Spule (26) vorgibt, der eine erste Richtung (69) hat, wenn die zwei Schwungmassen (28, 30) in der ersten Stellung (60) sind, und eine entgegengesetzte zweite Richtung (79), wenn die zwei Schwungmassen (28, 30) in der zweiten Stellung (70) sind, wobei die Vorrichtung (20) derart ausgelegt ist, dass an den Umkehrpunkten (56a, 56b) eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Schwungkörpers (12) und eine Stellungsänderung der zwei Schwungmassen (28, 30) von der ersten Stellung (60) in die zweite Stellung (70) oder umgekehrt stattfindet. A device (20) for converting kinetic energy into electrical energy, comprising: a coil (26); a flywheel body (12) having a first flywheel mass (28) and a second flywheel mass (30) disposed relative to each other between a first position (60) in the engagement portions (62b, 64b, 66a, 68a) of the first and second flywheels (28 , 30) are engaged, and a second position (70) in which other engagement portions (62a, 64a, 66b, 68b) of the first and second flywheels (28, 30) are engaged, wherein the flywheel body (12 ) has a magnet (32) and is movable relative to the coil (26) on a trajectory (21) having two points of reversal (56a, 56b) for inducing a current in the coil (26), the flywheel having a magnetic flux by the spool (26) having a first direction (69) when the two flywheel masses (28, 30) are in the first position (60) and an opposite second direction (79) when the two flywheel masses (28 , 30) in the second position (70), wherein the device (20) so outg is located that at the reversal points (56 a, 56 b), a reversal of the direction of movement of the flywheel body (12) and a change in position of the two flywheel masses (28, 30) from the first position (60) to the second position (70) or vice versa takes place.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei an den Umkehrpunkten (56a, 56b) die Umkehr der Bewegungsrichtung durch Federkraft bewirkt wird. Apparatus according to claim 1, wherein at the turning points (56a, 56b) the reversal of the direction of movement is effected by spring force.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der an den Umkehrpunkten (56a, 56b) jeweils ein gefederter Anschlag (57a, 57b) vorgesehen ist. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein at the reversal points (56a, 56b) in each case a sprung stop (57a, 57b) is provided.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der an den Umkehrpunkten (56a, 56b) Kräfte auf die Schwungmasse (12) ausgeübt werden, die eine Haltekraft, durch die die Schwungmassen (28, 30) in der ersten (60) oder zweiten Stellung (70) gehalten werden, überwinden, so dass die Stellungsänderung der zwei Schwungmassen (28, 30) stattfindet. Device according to one of claims 1 to 3, wherein at the reversal points (56 a, 56 b) forces are exerted on the flywheel (12), the holding force by which the flywheel masses (28, 30) in the first (60) or second Position (70) be overcome, so that the position change of the two flywheel masses (28, 30) takes place.
Vorrichtung gemäß Ansprach 4, bei der die erste (28) und/oder zweite Schwungmasse (30) den Magneten (32) aufweist, und wobei die Haltekraft eine Magnetkraft aufweist. Device according to claim 4, wherein the first (28) and / or second flywheel (30) comprises the magnet (32), and wherein the holding force has a magnetic force.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste Schwungmasse (28) zwei Eingriffnahmeabschnitte (62a, 62b) aufweist, von denen einer ein in Bewegungsrichtung vorderer Eingriffnahmeabschnitt und einer ein in Bewegungsrichtung hinterer Eingriffnahmeabschnitt ist, wobei jeweils einer der Eingri ffnahmeabschnitte (62a, 62b) in Eingriff mit der zweiten Schwungmasse (30) ist, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der ersten (60) oder in zweiten Stellung (70) sind. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the first flywheel (28) has two engagement portions (62a, 62b), one of which is a front engagement portion in the direction of movement and a rear engagement portion in the direction of movement, each one of the Eingri ffnahmeabschnitte ( 62a, 62b) is in engagement with the second flywheel mass (30) when the flywheels (28, 30) are in the first (60) or second position (70).
Vorrichtung gemäß Ansprach 6, bei der an den Umkehrpunkten (56a, 56b) jeweils ein gefederter Anschlag (57a, 57b) vorgesehen ist, wobei die erste Schwungmasse (28) auf den gefederten Anschlag (57a, 57b) trifft, während die zweite Schwungmasse (30) in Eingriff mit dem in Bewegungsrichtung hinteren Eingriffnahmeabschnitt (64b) ist, so dass aufgrund einer auf die zweite Schwungmasse (30) wirkende Trägheitskraft und/oder einer durch den gefederten Anschlag (57a, 57b) bewirkenden Federkraft die zweite Schwungmasse (30) von dem hinteren Eingriffnahmeabschnitt (64b) gelöst und in Eingriff mit dem vorderen Eingriffnahmeabschnitt (64a) gebracht wird. Device according to claim 6, wherein at the reversal points (56a, 56b) in each case a spring-loaded stop (57a, 57b) is provided, wherein the first flywheel (28) on the sprung stop (57a, 57b) meets, while the second flywheel ( 30) is in engagement with the rear engagement portion (64b) in the direction of movement, so that due to an inertia force acting on the second flywheel (30) and / or a spring force effecting the sprung stop (57a, 57b) the second flywheel mass (30) of the rear engaging portion (64b) is released and brought into engagement with the front engaging portion (64a).
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der an den Umkehrpunkten (56a, 56b) jeweils ein gefederter Anschlag (57a, 57b) vorgesehen ist, wobei die zweite Schwungmasse (30) auf den gefederten Anschlag (57a, 57b) trifft, während die zweite Schwungmasse (30) in Eingriff mit dem in Bewegungsrichtung vorderen Eingriffnahmeabschnitt (64a) ist, so dass aufgrund einer durch den gefederten Anschlag (57a, 57b) bewirkten Federkraft und/oder eine auf die erste Schwungmasse (28) wirkende Trägheitskraft die zweite Schwungmasse (30) von dem vorderen Eingriffnahmeabschnitt (64a) gelöst und in Eingriff mit dem hinteren Eingriffnahmeabschnitt (64b) gebracht wird. Device according to Claim 6, in which a spring-loaded stop (57a, 57b) is provided at the points of reversal (56a, 56b), the second flywheel (30) meeting the sprung stop (57a, 57b), while the second flywheel (56) 30) is in engagement with the front in the direction of movement engaging portion (64 a), so that due to a spring force caused by the sprung stop (57 a, 57 b) and / or acting on the first flywheel (28) inertial force second flywheel (30) is released from the front engaging portion (64a) and brought into engagement with the rear engaging portion (64b).
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der eine der Schwungmassen (28, 30) durch die Federkraft angetrieben wird und die andere der Schwungmassen9. Device according to one of claims 2 to 8, wherein one of the flywheels (28, 30) is driven by the spring force and the other of the flywheel masses
(28, 30) antreibt. (28, 30) drives.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der eine Position einer Feder (48a, 48b) des gefederten Anschlags (57a, 57b) auf der Bewegungsbahn (21) und/oder eine Federhärte der Feder (48a, 48b) einstellbar sind. 10. Device according to one of claims 2 to 9, wherein a position of a spring (48 a, 48 b) of the sprung stop (57 a, 57 b) on the movement path (21) and / or a spring stiffness of the spring (48 a, 48 b) are adjustable ,
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Bewegungsbahn (21) des Schwungkörpers (12) rotorisch um eine Drehachse (22) verläuft. 11. Device according to one of claims 1 to 10, wherein the movement path (21) of the flywheel body (12) rotatably about a rotation axis (22).
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Spule (26) um die Drehachse (22) des Schwungkörpers (12) angeordnet ist. 12. The device according to claim 11, wherein the coil (26) about the axis of rotation (22) of the flywheel body (12) is arranged.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die erste Schwungmasse (28) einen sich durch die Spule (26) erstreckenden ersten Abschnitt (40), einen auf einer ersten Seite der Spule (26) von dem ersten Abschnitt (40) erstreckenden zweiten Abschnitt (42) und einen sich auf einer zweiten Seite der Spule (26) von dem ersten Abschnitt (40) erstreckenden dritten Abschnitt (44) aufweist, wobei die zweite Schwungmasse (30) den Magneten (26) mit einem ersten Pol (32a) und einem zweiten Pol (32b) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (42) der ersten Schwungmasse (28) mit dem ersten Pol (32a) des Magneten (32) und der dritte Abschnitt (44) der ersten Schwungmasse13. Device according to one of claims 1 to 10, wherein the first flywheel (28) extending through the coil (26) extending first portion (40), one on a first side of the coil (26) of the first portion (40 ) second section (42) and a third section (44) extending from the first section (40) on a second side of the coil (26), the second flywheel (30) comprising the magnet (26) with a first pole (32a) and a second pole (32b), wherein the second portion (42) of the first flywheel (28) with the first pole (32a) of the magnet (32) and the third portion (44) of the first flywheel
(28) mit dem zweiten Pol (32b) des Magneten (32) gekoppelt sind, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der ersten Stellung (60) sind, und wobei der zweite Abschnitt (42) der ersten Schwungmasse (28) mit dem zweiten Pol (32b) des Magneten (32) und der dritte Abschnitt (44) der ersten Schwungmasse (28) mit dem ersten Pol (32a) des Magneten (32) gekoppelt sind, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der zweiten Stellung (70) sind, so dass die erste (28) und die zweite Schwungmasse (30) ein Magnetjoch bilden, dessen Flussrichtung (69, 79) umschaltbar ist. (28) are coupled to the second pole (32b) of the magnet (32) when the flywheel masses (28, 30) in the first position (60), and wherein the second portion (42) of the first flywheel (28) the second pole (32b) of the magnet (32) and the third portion (44) of the first flywheel (28) are coupled to the first pole (32a) of the magnet (32) when the flywheels (28, 30) in the second Position (70) are, so that the first (28) and the second flywheel (30) form a magnetic yoke whose flow direction (69, 79) can be switched.
14. Vorrichtung gemäß Ansprach 13, bei der der zweite Abschnitt (42) der ersten Schwungmasse (28) zwei entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstan- dete Eingriffnahmeabschnitte (64a, 64b) für die zweite Schwungmasse (30) aufweist, zwischen denen ein Teil der zweiten Schwungmasse (30) angeordnet ist, wobei der zweite Schwungkörper (30) in Eingriff mit einem der entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstandeten Eingriffnahmeabschnitte (64b) ist, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der ersten Stellung (60) sind und in Eingriff mit dem anderen der entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstandeten Eingri fTnahmeabschnitte (64a) ist, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der zweiten Stellung (70) sind. 14. Device according to claim 13, wherein the second section (42) of the first flywheel (28) has two engagement sections (64a, 64b) spaced apart along the movement path (21) for the second flywheel (30), between which Part of the second flywheel (30) is arranged, wherein the second flywheel body (30) in engagement with one of the along the movement path (21) spaced-apart engagement portions (64b), when the flywheel masses (28, 30) in the first position (60 ) are in engagement with the other of the engaging portions (64a) spaced apart along the path of travel (21) when the flywheels (28, 30) are in the second position (70).
15. Vorrichtung gemäß Ansprach 14, bei der der Magnet (32) zwischen den voneinander beabstandeten Eingriffnahmeabschnitten (64a, 64b) angeordnet ist und eine Haltekraft zum Halten der Schwungmassen (28, 30) in der ersten (60) oder zweiten Stellung (70) liefert. 15. The device according to claim 14, wherein the magnet (32) between the spaced-apart engagement portions (64 a, 64 b) is arranged and a holding force for holding the flywheel masses (28, 30) in the first (60) or second position (70) supplies.
16. Vorrichtung gemäß Ansprach 14 oder 15, bei der der zweite Schwungkörper (30) zwei entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstandete weitere Eingriffnahmeabschnitte (68a, 68b) für den ersten Schwungkörper (28) aufweist, zwischen denen ein Teil des dritten Abschnitts (44) der ersten Schwungmasse (28) angeordnet ist, wobei der erste Schwungkörper (28) in Eingriff mit einem der zwei entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstandeten weiteren Eingriffnahmeabschnitte (68a) ist, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der ersten Stellung (60) sind, und in Eingriff mit dem anderen der entlang der Bewegungsbahn (21) voneinander beabstandeten weiteren Eingri ff ahmeabschnitte (68b) ist, wenn die Schwungmassen (28, 30) in der zweiten Stellung (70) sind. 16. The device according to spoke 14 or 15, wherein the second flywheel body (30) has two along the movement path (21) spaced from each other further engagement portions (68 a, 68 b) for the first flywheel body (28), between which a part of the third section ( 44) of the first flywheel (28), wherein the first flywheel (28) is in engagement with one of the two along the movement path (21) spaced from each other engagement portions (68 a) when the flywheel masses (28, 30) in the first Position (60) are, and in engagement with the other of the along the trajectory (21) spaced from each other further Aufhämämeabschnitte (68b), when the flywheel masses (28, 30) in the second position (70).
17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der die Schwungmassen (28, 30) auf einer Drehachse (22) derart gelagert sind, dass sie gegeneinander zwischen der ersten Stellung (60) und der zweiten Stellung (70) verdrehbar sind, wobei die Spule (26) um die Drehachse (22) angeordnet ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Schwungmassen 30) von außen durch eine Beschleunigung oder eine Vibration anregbar sind. 17. Device according to one of claims 12 to 16, wherein the flywheel masses (28, 30) are mounted on a rotation axis (22) such that they are rotatable against each other between the first position (60) and the second position (70), wherein the coil (26) is disposed about the axis of rotation (22). Device according to one of claims 1 to 17, in which the centrifugal masses 30) can be excited from the outside by an acceleration or a vibration.
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