WO2017140501A1 - Vorrichtung zur umwandlung von mechanischer in elektrische energie und entsprechendes verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur umwandlung von mechanischer in elektrische energie und entsprechendes verfahren Download PDF

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WO2017140501A1
WO2017140501A1 PCT/EP2017/052151 EP2017052151W WO2017140501A1 WO 2017140501 A1 WO2017140501 A1 WO 2017140501A1 EP 2017052151 W EP2017052151 W EP 2017052151W WO 2017140501 A1 WO2017140501 A1 WO 2017140501A1
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WO
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counter
magnet
oscillating mass
oscillator
mass
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PCT/EP2017/052151
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Inventor
Loreto Mateu
Henrik Zessin
Peter Spies
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V,
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181—Circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the invention relates to a device for converting mechanical energy into electrical energy. Furthermore, the invention relates to a method for converting mechanical energy into electrical energy.
  • energy harvesting refers to a technology in which electrical energy is gained from environmental energy such as light, temperature difference or movement, thus providing the energy needed to supply it directly at the place of use of an electrical device Cables or batteries for power supply may no longer be necessary and that installation or maintenance costs for the replacement or recharging of batteries can be saved.
  • Vibrations on vehicles, motors or machines are suitable for generating electrical energy via vibration transducers such as piezoelectric generators or electrodynamic generators.
  • vibration transducers use piezoelectric materials that are mounted on a so - called cantilever cantilever.
  • the mass of the one-way oscillator together with the length of the cantilever determines the natural frequency of the vibratory transducer.
  • Vibration converters are usually used on engines and machines, but also on vehicles such as railway cars, airplanes, etc.
  • the vibration transducers used are generally resonant systems whose resonant frequency is preferably tuned to the frequency of the exciting source in order to optimize the energy gain. However, this is not always known in advance or may change during the application. A subject in vibration transducers is therefore the adaptation of the resonant frequency of the energy converter to the frequency of the excitation, such as the speed of the motor or the natural frequency of a vehicle.
  • the object of the invention is to propose an apparatus and a method for the conversion of mechanical energy into electrical energy, which represent an alternative to the prior art and also at least partially overcome their disadvantages.
  • the invention achieves the object by a device for converting mechanical energy into electrical energy.
  • the device has a bending beam, a vibration mass and at least one counter magnet.
  • the oscillating mass is arranged or attached to a free end of the bending beam.
  • the vibration mass has magnetic properties.
  • the oscillating mass and the bending beam are parts of an oscillator having a resonant frequency which can be set by the invention, which is denoted by f below.
  • the counter magnet generates a magnetic field.
  • the magnetic field of the counter-magnet is rotatable about an axis of rotation such that the resonant frequency of the oscillator is adjustable.
  • the counter magnet and the oscillating mass interact with each other via magnetic forces.
  • the counter magnet also affects the oscillator or resonant circuit to which the oscillating mass belongs.
  • the degree of interaction and thus also the action of the counter magnet on the resonant frequency of the resonant circuit is determined by the rotation of the magnetic field of the counter magnet.
  • the rotation of the magnetic field takes place in that the counter-magnet is rotated.
  • the counter-magnet is an electromagnet which is correspondingly switched for the rotation of the magnetic field.
  • the oscillating mass generates a magnetic field.
  • the magnetic fields of the oscillating mass and the counter magnet therefore interact with each other.
  • the oscillating mass is designed as a permanent magnet.
  • the oscillating mass has at least one magnetic element.
  • a magnetic element is in one embodiment, a permanent magnet, which is arranged on or in the oscillating mass.
  • the oscillating mass and the counter magnet are designed and matched to one another in such a way that the oscillating mass and the counter magnet exert forces on one another whose directions and / or their magnitude depend on an orientation between the oscillating mass and the counter magnet.
  • the orientation preferably relates to the orientation of the magnetic fields of the oscillating mass and the counter-magnet to each other. This orientation is variable by the rotation of the magnetic field of the counter magnet.
  • the oscillating mass and the counter magnet are designed and matched to one another such that the resonant frequency of the oscillator is dependent on the orientation.
  • This configuration is accompanied in particular by the fact that the change in the orientation also causes a change in the resonance frequency f.
  • the magnetic fields are associated with the respective longitudinal axes of the counter magnet and the oscillating mass, so that the orientation is given by the angle between the longitudinal axis of the oscillating mass and the longitudinal axis of the counter magnet.
  • the counter-magnet is rotatable about an axis of rotation. The counter magnet is thus for example rotatably mounted in this embodiment about the axis of rotation. In contrast to the prior art, therefore, no linear movements are performed, but there are twists. This simplifies the apparatus design and requires less energy.
  • the device has a rotating device and that the rotating device is configured to rotate the counter-magnet.
  • the rotating device is a motor. This allows -. B. in contrast to a mechanical design - an automatic vote during operation.
  • the change of the resonance frequency f is effected via the rotation of a screw, which causes the orientation of the counter magnet or its fixation after a rotation.
  • the axis of rotation is substantially perpendicular to a longitudinal axis of the counter-magnet.
  • the longitudinal axis of the counter-magnet is rotated.
  • the longitudinal axis is preferably given by the orientation of north and south pole.
  • the oscillating mass and the counter magnet are designed and matched to one another in such a way that, when the counter magnet is adjusted, the longitudinal axis of the oscillating mass and the longitudinal axis of the counter magnet lie substantially parallel to one another. In one embodiment, when the counter magnet is adjusted, the force acting between the associated magnetic fields is maximum and at a different setting it is minimal.
  • the oscillating mass and the counter magnet are configured and matched to one another such that when the counter magnet is set, a longitudinal axis of the counter magnet essentially lies on an extension of a longitudinal axis of the oscillating mass. In this embodiment, therefore, with an adjustment of the counter magnet both longitudinal axes lie on a common axis.
  • the oscillating mass and the counter magnet are configured and coordinated with each other or arranged relative to each other, that at a setting of the magnetic field of the counter magnet, a Po! the magnetic field of the counter magnet and a pole of the magnetic field of the oscillating mass are opposite to each other.
  • the device has two counter magnets.
  • the two counter magnets each have a magnetic field.
  • the magnetic fields of both counter magnets are rotatable about a respective axis of rotation. In this embodiment, therefore, two counter-magnets act on the oscillating mass, thereby allowing adjustment of the resonant frequency of the oscillator.
  • the two counter-magnets are constructed substantially identical, but are located at other positions relative to the oscillating mass and in particular once above and below the vibrating mass or the bending beam kens.
  • the two counter-magnets are arranged on different sides of the oscillating mass.
  • the counter magnets are thus above or below the oscillating mass.
  • the countermagnets are preferably arranged along a longitudinal axis of the oscillating mass.
  • the two counter-magnets are thus also arranged on different sides of the bending beam.
  • the device has a control device, wherein the control device is designed in such a way to adapt the frequency of the oscillator based on an oscillation acting on the oscillator.
  • the control device therefore serves to adjust the resonant frequency and adapt it to the force acting on the oscillator.
  • the control device in one embodiment has a vibration sensor for determining the frequency of the applied vibration.
  • the control device changes the resonance frequency within predefinable ranges and determines the optimum frequency from the electrical energy generated by the device in each case.
  • the bending beam is fastened with a fixed end to a carrier element.
  • the bending beam has two ends in this embodiment: a free and a fixed end.
  • the fixed end is used for fixing to an arbitrarily reinforcedformendem carrier element and the free end allows the vibrations and is the carrier of the oscillating mass.
  • the bending beam has at least one piezoelectric element.
  • Piezoelectric elements are known in many different configurations and are between electrical voltage and mechanical motion.
  • an element serves the purpose of converting the vibrations of the bending beam into electrical voltage and thus ultimately into electrical energy.
  • the device has at least two electrodes for picking up an electrical voltage generated by the at least one piezoelectric element.
  • the invention further achieves the object by a method for converting mechanical energy into electrical energy.
  • an oscillator in particular for mechanical vibrations
  • a resonance frequency - for the explanations denoted by f - of the oscillator is set by a magnetic field is rotated, which with - in one Design of a magnetic field - the oscillating mass interacts.
  • the degree of interaction depends on the setting of the magnetic field, ie by what angle the magnetic field has been rotated and thus oriented relative to the oscillating mass.
  • the method for converting the forms of energy thus also includes a method for regulating an inverter.
  • the invention describes an adaptable vibration transducer whose resonant frequency can be adapted manually or automatically in one embodiment via a rotatable magnet.
  • the vibration transducer can also be adjusted during operation in its vibration frequency. Due to the additional external force of the counter magnet or the counter magnet, which may be repulsive or attractive, the spring stiffness of the single-mass oscillator and thereby the resonance frequency is changed.
  • the mechanical structure of a rotatable magnet is much easier and can, for. B. be realized via a simple screw.
  • An advantage of the invention lies in the simple realization.
  • the mechanical effort for a rotatable magnet is significantly lower than for a movable magnet.
  • a smaller and more cost-effective implementation is possible.
  • 1 shows an exemplary embodiment of the device for converting mechanical energy into electrical energy in the section with two counter magnets
  • 2 shows an exemplary embodiment of the device for converting mechanical energy into electrical energy in a spatial representation
  • Fig. 3 shows the course of exemplary output power of the tunable
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment of a device using the
  • FIG. 6 shows the embodiment of FIG. 5 with a second angle of rotation
  • FIGS. 7 and 8 shows the course of output powers in the structure of FIGS. 7 and
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a device for the conversion of mechanical into electrical energy, which is also referred to as a vibration transducer.
  • the bending beam 1 which can also be referred to as a spring element, has a free end 1 1 and a fixed end 12. With the free end 1 1, the vibrations take place due to the external suggestions. With the fixed end 12 of the bending bales 1 is attached to a Suss 4.
  • the bending beam 1 is designed in a variant as a MEMS structure, ie as a micromechanical element. The dimensions can be specified, for example, from a few millimeters to a few centimeters in length.
  • the mechanical vibrations have an effect on the piezoelectric element 13 whose generated electrical voltage is picked up here by two electrodes 8.
  • the oscillating mass 2 which is configured in the example shown as a magnet (in particular as a permanent magnet with north and south poles) and has a magnetic field 22.
  • the magnetic field 22 is arranged here with the longitudinal axis 21 of the oscillating mass 2.
  • the bending beam 1 and the oscillating mass 2 belong to the oscillator 3, which has a resonance frequency f.
  • the resonance frequency f is variable by forces acting on the oscillating mass 2 are set.
  • the advantage of adjusting the resonant frequency f is that the power consumption is optimized by adjusting the resonant frequency f to the frequency of the oscillations acting on the oscillator 3.
  • two counter-magnets 5, 5 ' act on the oscillating mass 2.
  • Both counter magnets 5, 5 ' have a longitudinal axis 51, 51', to which the axis of rotation 52, 52 'is located perpendicular.
  • the axes of rotation 52, 52 'are therefore in the illustrated example parallel to the plane in which the bending beam 1 is in the illustrated undeflected state.
  • a rotation of the counter magnets 5, 5 'about the respective axis of rotation 52, 52' causes the respective magnetic field 53, 53 'of the counter magnets 5, 5' is in a different orientation to the magnetic field 22 of the oscillating mass 2.
  • a maximum power point control is carried out together with a - not shown here - AC-DC converter for adapting to the applied force, such.
  • a - not shown here - AC-DC converter for adapting to the applied force, such.
  • the frequency of the generated AC electrical voltage is used (see the above article by C. Eichhorn et al.).
  • 2 shows a further embodiment of the device, wherein the oscillating mass 2 here has magnetic elements 25 in the form of permanent magnets in their end faces.
  • the oscillating mass 2 is here - as in the embodiment of FIG. 1 - executed symmetrically to the bending beam 1. Furthermore, here both counter-magnets 5, 5 'are so designed. tet that under a setting of the counter magnets 5, 5 'their forces on the oscillating mass 2 just compensate.
  • the counter-magnets 5, 5 ' are arranged with their longitudinal axes 51, 51' at an adjustment of the rotation in alignment with one another and with the longitudinal axis 21 of the oscillating mass 2.
  • FIG. 3 shows that in the embodiment of FIG. 2 the different angles of rotation lead to different resonance frequencies. Plotted is the received power compared to the frequency of the vibrations, which act on the oscillator.
  • a counter magnet is rotated by the specified angle, with attractive (attr) or repulsive forces (rep) on the oscillating mass. The type of forces depends on which poles face each other.
  • the distance d between the counter magnet 5 and vibration mass 2 is 8 mm.
  • the holder 55 shows a holder 55 with a matching recess 56 for a permanent magnet, which forms a counter magnet.
  • the holder 55 is designed here essentially as a cylinder, which has a cuboid at one end.
  • the longitudinal axis of the holder 55 is here also the axis of rotation 52 around which the rotations are made. It can be seen that the recess 56 fits a circular cylindrical magnet, so that its longitudinal axis is again perpendicular to the axis of rotation and thus on the longitudinal axis 52 of the holder 55.
  • Fig. 5 shows the holder 55 of FIG. 4 in the installed state and above the oscillating mass 2, which is here only on one side of the bending beam 1.
  • the longitudinal axis 51 of the here single counter magnet 5 and the longitudinal axis 21 of the oscillating mass 2 are arranged parallel to each other in the embodiment shown.
  • the counter magnet 5 can be displaced laterally so that the counter magnet 5 is in a position above the oscillating mass 2.
  • FIG. 6 shows the case that in the arrangement of Fig. 5, the counter-magnet 5 has been rotated about the axis of rotation 52, which is here in particular parallel to the plane in which the bending beam 1 is located.
  • This rotation causes the magnetic fields of the counter magnet 5 and the oscillating mass 2 (which are both realized here by permanent magnets) to have a different orientation to one another and therefore interact with different forces than when the counter magnet 5 is set in FIG. 5.
  • FIG. 7 shows, like FIGS. 5 and 6, a structure with a counter-magnet 5, which is located above the oscillating mass 2 here.
  • the longitudinal axis 51 and the axis of rotation 52 of the counter-magnet 5 are perpendicular to each other.
  • FIG. 8 shows - similar to FIG. 3 - the effect of rotating the counter magnet in the embodiment of FIG. 7.
  • the distance d between the counter magnet 5 and the oscillating mass 2 is 15 mm.
  • the counter magnet 5 is located in front of the oscillating mass 2 and thus also in front of the free end 11 of the bending beam 1.
  • the longitudinal axes 21 of the oscillating mass 2 and the longitudinal axis 51 are located of the counter magnet 5 paraiiel and at a distance d from each other.
  • the distance d a vertical distance relative to the plane of the bending beam 1, so this is a lateral distance.
  • the magnetic fields of the counter-magnet 5 and the oscillating mass 2 both are configured here again as permanent magnets
  • the effect of the rotations of the counter magnet 5 are very small. This construction therefore has a lower height than in the upper embodiments, but requires, for example, a higher field strength in the counter-magnet. 5

Landscapes

  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einem Biegebalken (1), einer Schwingmasse (2) und einem Gegenmagneten (5, 5'). Dabei ist die Schwingmasse (2) an einem freien Ende (11) des Biegebalkens (1) befindlich und weist magnetische Eigenschaften auf. Dabei sind die Schwingmasse (2) und der Biegebalken (1) Teile eines Oszillators (3), der eine Resonanzfrequenz (f) aufweist. Der Gegenmagnet (5, 5') erzeugt ein Magnetfeld (53, 53'). Dabei ist das Magnetfeld (53, 53') des Gegenmagneten (5, 5') um eine Drehachse (52, 52') derartig drehbar, so dass die Resonanzfrequenz (f) des Oszillators (3) einstellbar ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie
und entsprechendes Verfahren
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Der Ausdruck„Energy Harvesting" bezeichnet eine Technologie, bei der aus Umweltenergie wie beispielsweise Licht, Temperaturunterschied oder Bewegung elektrische Energie gewonnen wird. Damit kann direkt am Einsatzort eines elektrischen Geräts die nötige Energie zu dessen Versorgung bereitgestellt werden. Daraus ergibt sich als Vorteil, dass Kabel oder Batterien zur Energieversorgung ggf. nicht mehr erforderlich sind und dass Installations- oder Wartungskosten für das Auswechseln oder Nachladen von Batterien eingespart werden.
Vibrationen an Fahrzeugen, Motoren oder Maschinen sind geeignet, um über Vibrationswandler wie Piezogeneratoren oder elektrodynamischen Generatoren elektrische Energie zu gewinnen.
Viele Vibrationswandler arbeiten mit piezoelektrischen Materialien, die auf einem sog. Einmassenschwinger (Cantilever - Kragträger) montiert sind. Die Masse des Einmassenschwingers bestimmt zusammen mit der Länge des Kragarms die Eigenfrequenz des Vib- rationswandlers.
Typische Einsatzgebiete von Vibrationswandlern sind Energieversorgungen für drahtlose Sensoren und Sensornetze. Vibrationswandler werden dabei meist an Motoren und Maschinen, aber auch an Fahrzeugen wie Eisenbahnwaggons, Flugzeugen etc. eingesetzt.
Die verwendeten Vibrationswandler sind im Allgemeinen resonante Systeme, deren Resonanzfrequenz vorzugsweise auf die Frequenz der erregenden Quelle abzustimmen ist, um den Energiegewinn zu optimieren. Diese ist jedoch nicht immer im Vorhinein bekannt bzw. kann sich auch während der Anwendung verändern. Eine Thematik bei Vibrationswandlern ist daher die Anpassung der Resonanzfrequenz des Energiewandlers an die Frequenz der Erregung wie beispielsweise der Drehzahl des Motors oder der Eigenfrequenz eines Fahrzeugs. Der Artikel "A Vibration energy harvesting de vice with bidirectional resonance frequency tunability" von V. R. Challa et al. (Smart Materials and Structures 17, no. 1 , 2008, 015035) sowie der Artikel "Towards an autonomous self-tuning Vibration energy harvesting device for wireless sensor network applications" von V. R. Chalia et al. (Smart Materials and Structures 20, no. 2, 201 1 , 025004) beschreiben einen Vibrationswandler mit einem ein- seitig fixierten Biegebalken, der an einem freien Ende eine Masse sowie zwei Magneten aufweist. Ober- bzw. unterhalb der zwei Magneten ist jeweils ein Permanentmagnet in einem variablen Abstand vorhanden. Die Einstellung der Resonanzfrequenz erfolgt dabei über die Änderung des Abstands zwischen den Permanentmagneten und den Magneten auf dem Biegebalken.
Der Aufsatz "Piezoelectric resonance shifting using tunable nonlinear stiffness" von T. Reissman et al. (Proc. SPIE 7288, Active and Passive Smart Structures and Integrated Systems, 2009, 72880G-1 - 72880G-12) beschreibt einen Vibrationswandler, der an der Spitze des freien Endes des Biegebalkens einen Magneten aufweist. Vor dem Magneten befindet sich ein Permanentmagnet, der für die Einstellung der Resonanzfrequenz in der Höhe verändert wird.
In dem Artikel "Design and experimental characterization of a tunable vibration-based electromagnetic micro-generator" von D. Zhu et al. (Sensors and Actuators A: Physical 158, no. 2, 2010, 284 - 293) sowie in dem Beitrag "Frequency tuning of Vibration energy harvesters using compressive and tensile axial loads" von D. Zhu et al. (Beitrag zu PowerMEMS 201 1. Seoul, Korea, 15. - 18. November 201 1 ) oder in dem Artikel„Closed loop frequency tuning of a vibration-based micro-generator" von D. Zhu et al. (Procee- dings of PowerMEMS 2008+ microEMS2008, Sendai, Japan, 9. - 12. November 2008, 229 - 232) wird ein weiterer Vibrationswandler offenbart, der für die Einstellung der Resonanzfrequenz über einen Magneten an der Spitze des freien Endes des Biegebalkens verfügt. Vor dem Magneten ist ein Permanentmagnet in einem variablen horizontalen Abstand angebracht. Im Stand der Technik erfolgt somit eine Anpassung der Resonanzfrequenz durch die Wechselwirkung zwischen jeweils zwei Magneten (ein fester Magnet auf dem Biegebai- ken und ein verschiebbarer Magnet im Umfeld des festen Magneten) und durch das lineare Verschieben eines Magneten.
Nachteilig an der Anpassung über einen verschiebbaren Magneten sind der komplizierte mechanische Aufbau und der hohe Platzbedarf für den Magneten bzw. die Vorrichtung zum Verschieben. Zudem haben Linearantriebe auch einen hohen Energiebedarf.
Weiterhin wird im Stand der Technik vorgeschlagen, direkt auf die verwendeten piezoelektrischen Elemente einzuwirken, die der eigentlichen Wandlung von mechanischer in elektrische Energie dienen. Dafür wird eine„Maximum Power Point Tracker"-Schaltung benutzt, die die Ausgangsleistung eines AC-DC-Wandlers überwacht, um eine elektrische Last in Form eines Kondensators zu schalten. Die Last wiederum wirkt auf die mechanischen Eigenschaften ein. Siehe den Aufsatz von B. Ahmed-Seddik et al. „Self-powered resonant frequency tuning for Piezoelectric Vibration Energy Harvesters", Journal of Phys- ics: Conference Series 476, 2013, 012069.
Eine weitere Möglichkeit offenbart der Beitrag„An energy-autonomous self-tunable piezoelectric Vibration energy harvesting System" von C. Eichhorn et al. (MEMS 201 1 , Cancun, Mexiko, 23. - 27. Januar 201 1 , 1293 - 1296). Dabei wird die Resonanzfrequenz durch die Veränderung einer Vorspannung eingestellt. Hierfür dient ein piezoelektrisches Element.
Insgesamt besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie vorzuschlagen, die eine Alternative zum Stand der Technik darstellen und auch deren Nachteile zumindest teil- weise überwinden.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Dabei weist die Vorrichtung einen Biegebalken, eine Schwingmasse und mindestens einen Gegenmagneten auf. Dabei ist die Schwingmasse an einem freien Ende des Biegebalkens angeordnet bzw. befestigt. Weiterhin verfügt die Schwingmasse über magnetische Eigenschaften. Die Schwingmasse und der Biegebalken sind Teile eines Oszillators, der eine durch die Erfindung einstellbare Resonanzfrequenz - diese sei im Folgenden mit f bezeichnet - aufweist. Der Gegenmagnet erzeugt ein Magnetfeld. Dabei ist das Magnetfeld des Gegenmagneten um eine Drehachse derar- tig drehbar, so dass die Resonanzfrequenz des Oszillators einstellbar ist. Der Gegenmagnet und die Schwingmasse wechselwirken über magnetische Kräfte miteinander. Hierdurch wirkt sich der Gegenmagnet auch auf den Oszillator oder Schwingkreis aus, zu dem die Schwingmasse gehört. Das Maß der Wechselwirkung und damit auch die Einwirkung des Gegenmagneten auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird da- bei durch die Drehung des Magnetfeldes des Gegenmagneten bestimmt.
In der Erfindung wird somit kein Abstand zwischen der Schwingmasse und dem Gegenmagneten für der Einstellung der Resonanzfrequenz geändert, sondern ein Magnetfeld wird gedreht. Hierdurch ändert sich die Orientierung der Magnetfelder von Gegenmagnet und Schwingmasse, so dass auch unterschiedliche Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte aufeinander wirken.
In einer Ausgestaltung geschieht die Drehung des Magnetfelds dadurch, dass der Gegenmagnet gedreht wird.
In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Gegenmagneten um einen Elektromagneten, der für die Drehung des Magnetfelds entsprechend geschaltet wird.
In einer Ausgestaltung erzeugt die Schwingmasse ein Magnetfeld. Die Magnetfelder der Schwingmasse und der Gegenmagnet wechselwirken daher miteinander.
In einer Ausgestaltung ist die Schwingmasse als Permanentmagnet ausgestaltet.
In einer alternativen Ausgestaltung weist die Schwingmasse mindestens ein Magnetele- ment auf. Ein solches Magnetelement ist in einer Ausgestaltung ein Permanentmagnet, der an oder in der Schwingmasse angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung sind die Schwingmasse und der Gegenmagnet derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass die Schwingmasse und der Gegenmagnet Kräfte aufeinander ausüben, deren Richtungen und/oder deren Beträge abhängig von einer Orientierung zwischen der Schwingmasse und dem Gegenmagneten sind. Die Orientierung bezieht sich vorzugsweise auf die Orientierung der Magnetfelder der Schwingmasse und des Gegenmagneten zueinander. Diese Orientierung ist dabei veränderbar durch die Drehung des Magnetfelds des Gegenmagneten. Damit ergibt sich die Ausgestaltung, dass die Schwingmasse und der Gegenmagnet derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Resonanzfrequenz des Oszillators abhängig von der Orientierung ist. Mit dieser Ausgestaltung geht einher, dass insbesondere die Änderung der Orientierung auch eine Änderung der Resonanzfrequenz f bewirkt. Durch die Änderung der Orientierung ändert sich das Maß der Wechselwirkung zwischen der Schwingmasse und dem Gegenmagnet. Dadurch wird jeweils eine andere Kraft auf die Schwingmasse ausgeübt. Daher ändert sich folglich auch die Resonanzfrequenz f. In einer Ausgestaltung sind die Magnetfelder den jeweiligen Längsachsen des Gegenmagneten und der Schwingmasse zugeordnet, so dass die Orientierung durch den Winkel zwischen der Längsachse der Schwingmasse und der Längsachse des Gegenmagneten gegeben ist. In einer Ausgestaltung ist der Gegenmagnet um eine Drehachse drehbar. Der Gegenmagnet ist somit in dieser Ausgestaltung beispielsweise drehbar um die Drehachse gelagert. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden somit keine linearen Bewegungen ausgeführt, sondern es finden Drehungen statt. Dies vereinfacht den apparativen Aufbau und erfordert weniger Energie.
Daher sieht es eine Ausgestaltung vor, dass die Vorrichtung eine Drehvorrichtung aufweist und dass die Drehvorrichtung derartig ausgestaltet ist, den Gegenmagneten zu drehen. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Drehvorrichtung um einen Motor. Dies erlaubt - z. B. im Gegensatz zu einer mechanischen Ausgestaltung - eine automatische Abstimmung während des Betriebs.
In einer alternativen Ausgestaltung wird die Änderung der Resonanzfrequenz f über die Drehung einer Schraube bewirkt, die die Orientierung des Gegenmagneten bzw. dessen Fixierung nach einer Drehung bewirkt.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Drehachse im Wesentlichen senkrecht auf einer Längsachse des Gegenmagneten steht. In dieser Ausgestaltung wird somit die Längsachse des Gegenmagneten gedreht. Dabei ist vorzugsweise die Längsachse durch die Orientierung von Nord- und Südpol gegeben. In einer Ausgestaltung sind die Schwingmasse und der Gegenmagnet derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt, dass bei einer Einstellung des Gegenmagneten die Längsachse der Schwingmasse und die Längsachse des Gegenmagneten im Wesentli- chen parallel zueinander liegen. In einer Ausgestaltung ist bei einer Einstellung des Gegenmagneten die zwischen den zugeordneten Magnetfeldern wirkende Kraft maximal und ist sie bei einer anderen Einstellung minimal.
In einer Ausgestaltung sind die Schwingmasse und der Gegenmagnet derartig ausgestal- tet und aufeinander abgestimmt, dass bei einer Einstellung des Gegenmagneten eine Längsachse des Gegenmagneten im Wesentlichen auf einer Verlängerung einer Längsachse der Schwingmasse liegt. In dieser Ausgestaltung liegen somit bei einer Einstellung des Gegenmagneten beide Längsachsen auf einer gemeinsamen Achse. In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung sind die Schwingmasse und der Gegenmagnet so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt bzw. relativ zueinander angeordnet, dass sich bei einer Einstellung des Magnetfelds des Gegenmagneten ein Po! des Magnetfelds des Gegenmagneten und ein Pol des Magnetfelds der Schwingmasse einander gegenüber liegen.
In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung zwei Gegenmagneten auf. Dabei weisen die zwei Gegenmagnete jeweils ein Magnetfeld auf. Weiterhin sind die Magnetfelder beider Gegenmagneten um jeweils eine Drehachse drehbar. In dieser Ausgestaltung wirken somit zwei Gegenmagneten auf die Schwingmasse ein und erlauben dadurch die Einstel- lung der Resonanzfrequenz des Oszillators.
In einer Ausgestaltung sind die zwei Gegenmagneten im Wesentlichen identisch aufgebaut, befinden sich jedoch an anderen Positionen relativ zur Schwingmasse und insbesondere einmal oberhalb und einmal unterhalb der Schwingmasse bzw. des Biegebal- kens.
So sieht es eine Ausgestaltung vor, dass die zwei Gegenmagneten auf unterschiedlichen Seiten der Schwingmasse angeordnet sind. Die Gegenmagneten befinden sich somit oberhalb bzw. unterhalb der Schwingmasse. Dabei sind die Gegenmagneten in dieser Ausgestaltung vorzugsweise entlang einer Längsachse der Schwingmasse angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung sind die zwei Gegenmagneten damit auch auf unterschiedlichen Seiten des Biegebalkens angeordnet.
In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Steuervorrichtung auf, wobei die Steu- ervorrichtung derartig ausgestaltet ist, die Frequenz des Oszillators basierend auf einer auf den Oszillator einwirkenden Schwingung anzupassen. Die Steuervorrichtung dient daher der Einstellung der Resonanzfrequenz und deren Anpassung an die Kraft, die auf den Oszillator einwirkt. Für die Steuerung verfügt die Steuervorrichtung in einer Ausgestaltung über einen Schwingungssensor zur Ermittlung der Frequenz der einwirkenden Schwingung. In einer weiteren Ausgestaltung verändert die Steuervorrichtung innerhalb vorgebbarer Bereiche die Resonanzfrequenz und ermittelt aus der jeweils von der Vorrichtung generierten elektrischen Energie die optimale Frequenz.
In einer Ausgestaltung ist der Biegebalken mit einem festen Ende an einem Trägerelement befestigt. Der Biegebalken verfügt in dieser Ausgestaltung über zwei Enden: ein freies und ein festes Ende. Das feste Ende dient der Fixierung an einem beliebig auszuformendem Trägerelement und das freie Ende erlaubt die Schwingungen und ist Träger der Schwingmasse.
In einer Ausgestaltung weist der Biegebalken mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist. Piezoelektrische Elemente sind in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und wandein zwischen elektrischer Spannung und mechanischer Bewegung. Hier dient ein Element dem Zweck, die Schwingungen des Biegebalkens in elektrische Spannung und damit letztendlich in elektrische Energie zu wandeln.
In einer Ausgestaltung verfügt die Vorrichtung über mindestens zwei Elektroden zum Abgreifen einer von dem mindestens einen piezoelektrischen Element erzeugten elektri- sehen Spannung.
Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Dazu wird ein Oszillator (hier insbesondere für mechanischen Schwingungen) verwendet, zu dem ein Biegebalken und eine Schwing- masse gehören. Dabei wird eine Resonanzfrequenz - für die Erläuterungen bezeichnet mit f - des Oszillators eingestellt, indem ein Magnetfeld gedreht wird, das mit - in einer Ausgestaltung einem Magnetfeld - der Schwingmasse wechselwirkt. Dabei hängt das Maß der Wechselwirkung von der Einstellung des Magnetfeldes ab, d. h. um welchen Winkel das Magnetfeld gedreht worden ist und somit relativ zu der Schwingmasse orientiert ist.
Zu dem Verfahren zur Umwandlung der Energieformen gehört damit auch ein Verfahren zum Regeln eines Wechselrichters.
Dabei gelten die obigen Ausführungen und Ausgestaltungen zu der Vorrichtung entspre- chend auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Umgekehrt lassen sich auch Verfahrensschritte durch Ausgestaltungen der Vorrichtung realisieren, so dass auch die Ausführungen und Erläuterungen bezüglich des Verfahrens für die Vorrichtung gelten.
Insgesamt beschreibt die Erfindung einen anpassbaren Vibrationswandler, dessen Reso- nanzfrequenz in einer Ausgestaltung über einen drehbaren Magneten manuell oder automatisch angepasst werden kann. Durch eine Kombination mit einem Motor kann der Vibrationswandler auch während des Betriebs in seiner Vibrationsfrequenz justiert werden. Durch die zusätzliche äußere Kraft des Gegenmagneten bzw. der Gegenmagneten, die abstoßend oder anziehend sein kann, wird die Federsteifigkeit des Einmassenschwingers und dadurch die Resonanzfrequenz verändert. Der mechanische Aufbau eines drehbaren Magneten ist deutlich einfacher und kann z. B. über eine einfache Schraubverbindung realisiert werden.
Eine Vorteil der Erfindung liegt in der einfachen Realisierung. Der mechanische Aufwand für einen drehbaren Magnet ist deutlich geringer als bei einem verschiebbaren Magneten. Somit ist eine kleinere und auch kostengünstigere Realisierung möglich.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird ver- wiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie im Schnitt mit zwei Gegenmag- neten, Fig. 2 eine beispielhafte Ausgestaltung der Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie in einer räumlichen Darstellung,
Fig. 3 den Verlauf von beispielshaften Ausgangsleistungen des abstimmbaren
Vibrationswandlers bei unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Drehwinkeln des Magneten,
Fig. 4 eine Ausgestaltung für die drehbare Befestigung eines Gegenmagneten,
Fig. 5 eine alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung unter Verwendung der
Befestigung der Fig. 4 mit einem ersten Drehwinkel,
Fig. 6 die Ausgestaltung der Fig. 5 mit einem zweiten Drehwinkel,
Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung mit einem Gegenmagneten oberhalb der Schwingmasse,
Fig. 8 den Verlauf von Ausgangsleistungen bei dem Aufbau der Fig. 7 und
Fig. 9 eine Ausgestaltung der Vorrichtung mit einem Gegenmagneten vor der
Schwingmasse.
Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Wandlung von mechanischer in elektrische Energie, die auch als Vibrationswandler bezeichnet wird.
Der Biegebalken 1 , der auch als Federelement bezeichnet werden kann, verfügt über ein freies Ende 1 1 und ein festes Ende 12. Mit dem freien Ende 1 1 finden die Schwingungen aufgrund der äußeren Anregungen statt. Mit dem festen Ende 12 ist der Biegebaiken 1 an einem Trägereiement 4 befestigt. Der Biegebalken 1 ist dabei in einer Variante als MEMS- Struktur, also als mikromechanische Element ausgeführt. Dabei lassen sich die Dimensionen beispielsweise von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern Länge vorgeben.
Die mechanischen Schwingungen wirken sich auf das piezoelektrische Element 13 aus, dessen erzeugte elektrische Spannung hier durch zwei Elektroden 8 abgegriffen wird. An dem freien Ende 1 1 befindet sich hier die Schwingmasse 2, die in dem gezeigten Beispiel als Magnet (insbesondere als Permanentmagnet mit Nord- und Südpol) ausgestaltet ist und über ein Magnetfeld 22 verfügt. Das Magnetfeld 22 ist hier mit der Längsachse 21 der Schwingmasse 2 angeordnet.
Der Biegebalken 1 und die Schwingmasse 2 gehören dabei zu dem Oszillator 3, der eine Resonanzfrequenz f aufweist. Die Resonanzfrequenz f ist dabei veränderbar, indem Kräfte, die auf die Schwingmasse 2 einwirken, eingestellt werden. Der Vorteil der Anpassung der Resonanzfrequenz f besteht darin, dass die Leistungsaufnahme optimiert wird, indem die Resonanzfrequenz f an die Frequenz der Schwingungen, die auf den Oszillator 3 einwirken, angepasst wird.
In der gezeigten Ausgestaltung wirken zwei Gegenmagneten 5, 5' auf die Schwing masse 2 ein. Die Gegenmagneten 5, 5' sind hier im Wesentlichen gleich ausgeführt und sind symmetrisch zur Schwingmasse 2 angeordnet: ein Gegenmagnet 5 ist hier oberhalb und der andere Gegenmagnet 5' ist unterhalb der Schwingmasse 2 angeordnet. Beide Gegenmagneten 5, 5' verfügen über ein Längsachse 51 , 51 ', zu der senkrecht die Drehachse 52, 52' befindlich ist. Die Drehachsen 52, 52' liegen daher im dargestellten Beispiel parallel zu der Ebene, in der sich der Biegebalken 1 im dargestellten unausgelenkten Zu- stand befindet. Eine Drehung der Gegenmagneten 5, 5' um die jeweilige Drehachse 52, 52' bewirkt, dass sich das jeweilige Magnetfeld 53, 53' der Gegenmagneten 5, 5' in einer anderen Orientierung zum Magnetfeld 22 der Schwingmasse 2 befindet.
In der hier gezeigten Ausrichtung der drei Magnetfelder 53, 22, 53' liegen sich ein Südpol und ein Nordpol sowie zwei Südpole einander gegenüber. Daher wirkt auf die Schwingmasse 2 eine Kraft in Richtung des oberen Gegenmagneten 5 und wirkt auf die Schwingmasse eine abstoßende Kraft aus Richtung des unteren Gegenmagneten 5'.
Durch das Drehen werden die Magnetfelder 53, 53' der Gegenmagneten 5, 5' aus dem Magnetfeld 22 der Schwingmasse 2 heraus- bzw. hereingedreht. Wird also beispielsweise der obere Gegenmagnet 5 um die Längsachse 52 gedreht, so reduziert sich die anziehende Kraft in diese Richtung. Entsprechendes gilt für den unteren Gegenmagneten 5' und dessen Einwirkung auf die Schwingmasse 2. Für die Drehbewegungen ist jeweils eine Drehvorrichtung 6 (z. B. in Form eines Drehmotors) vorhanden, die über die Steuervorrichtung 7 gesteuert wird. Die Steuervorrichtung 7 sei hier derartig ausgestaltet, dass sie schrittweise die Gegenmagneten 5, 5' verdreht und die jeweils aufgenommene elektrische Leistung (als Maß für die von dem piezoelektrischen Element 13 erzeugte elektrische Spannung) auswertet und dabei ein Maximum sucht.
In einer ersten Alternative wird für die Anpassung an die einwirkende Kraft eine Maximum Power Point Regelung zusammen mit einem - hier nicht dargestellten - AC-DC-Wandler ausgeführt, wie z. B. in dem oben zitierten Artikel von B. Ahmed-Seddik et al. beschrieben, wobei hier der dort offenbarte MPPT-Algorithmus die Drehung der Motoren 6 regeln würde. Siehe z. B. auch den oben genannten Artikel von Zhu et al. aus dem Jahr 2008.
In einer anderen Realisierung der Regelung wird die Frequenz der erzeugten elektrischen Wechselspannung verwendet (siehe den obigen Artikel von C. Eichhorn et al.). Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung, wobei die Schwingmasse 2 hier über Magnetelemente 25 in Form von Permanentmagneten in ihren Stirnflächen verfügt.
Bei dem oberen Gegenmagneten 5 ist der Drehwinkel α eingezeichnet, um den die Dre- hung um die Drehachse 52 stattfindet. Gleichzeitig bleibt der Abstand d zwischen Schwingmasse 2 und Gegenmagnet 5 unverändert.
Dabei haben Messungen gezeigt, dass mit zunehmendem Abstand d die Auswirkungen der Drehungen des Magnetfelds des Gegenmagneten 5, 5' geringer werden, d. h. es las- sen sich geringere Frequenzänderungen bei der Resonanzfrequenz f des Oszillators 2 erzielen. Andererseits lässt sich der Abstand d auch nur soweit reduzieren, dass der Gegenmagnet und die durch die Vibrationen sich bewegende Schwingmasse sich nicht gegenseitig blockieren. In einer Ausgestaltung bewirkte eine Reduzierung des Abstands d auf ungefähr ein Drittel, dass sich die relative Frequenzänderung durch die unterschiedü- chen Einstellungen fast verfünffachte. Der minimale Abstand d ist abhängig von einer Nominalauslenkung des piezoelektrischen Wandlers bzw. des Biegebalkens 1. Daher darf bei einer Drehung der Gegenmagneten 5, 5' die Nominalauslenkung nicht überschritten werden. Dies bildet eine funktionsbedingte untere Grenze für den Abstand d.
Die Schwingmasse 2 ist hier - wie in der Ausgestaltung der Fig. 1 - symmetrisch zum Biegebalken 1 ausgeführt. Weiterhin sind hier beide Gegenmagneten 5, 5' so ausgestal- tet, dass unter einer Einstellung der Gegenmagneten 5, 5' sich ihre Kräfte auf die Schwingmasse 2 gerade kompensieren.
Zu sehen ist auch, dass die Gegenmagneten 5, 5' mit ihren Längsachsen 51 , 51 ' bei einer Einstellung der Drehung fluchtend zueinander und zu der Längsachse 21 der Schwingmasse 2 angeordnet sind.
Die Fig. 3 zeigt, dass bei der Ausgestaltung der Fig. 2 die unterschiedlichen Drehwinkel zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen führen. Aufgetragen ist dabei die empfangene Leistung gegenüber der Frequenz der Schwingungen, die auf den Oszillator einwirken. Dabei wird ein Gegenmagnet um die angegeben Winkel gedreht, wobei sich anziehende (attr) oder abstoßende Kräfte (rep) auf die Schwingmasse ergeben. Die Art der Kräfte hängt dabei davon ab, welche Pole sich gegenüberliegen. Der Abstand d zwischen Gegenmagnet 5 und Schwingmasse 2 beträgt 8 mm.
Die Fig. 4 zeigt eine Halterung 55 mit einer passenden Aussparung 56 für einen Permanentmagneten, der einen Gegenmagneten bildet. Die Halterung 55 ist hier im Wesentlichen als Zylinder ausgestaltet, der an einem Ende über einen Quader verfügt. Die Längsachse der Halterung 55 ist hier auch die Drehachse 52, um die die Drehungen vorge- nommen werden. Zu erkennen ist, dass die Aussparung 56 für einen kreiszylindrischen Magneten passt, so dass dessen Längsachse wiederum senkrecht auf der Drehachse und damit auf der Längsachse 52 der Halterung 55 steht.
Die Fig. 5 zeigt die Halterung 55 der Fig. 4 im eingebauten Zustand und oberhalb der Schwingmasse 2, die sich hier nur auf einer Seite des Biegebalkens 1 befindet. Die Längsachse 51 des hier einzigen Gegenmagneten 5 und die Längsachse 21 der Schwingmasse 2 sind in der gezeigten Ausgestaltung parallel zueinander angeordnet. Um die Wechselwirkung zu verstärken, lässt sich der Gegenmagnet 5 lateral verschieben, so dass der Gegenmagnet 5 sich in einer Position oberhalb der Schwingmasse 2 befindet.
Die Fig. 6 zeigt den Fall, dass bei der Anordnung der Fig. 5 der Gegenmagnet 5 um die Drehachse 52 gedreht worden ist, die hier insbesondere parallel zu der Ebene liegt, in der sich der Biegebalken 1 befindet. Diese Drehung bewirkt, dass die Magnetfelder des Gegenmagneten 5 und der Schwingmasse 2 (die hier beide durch Permanentmagneten rea- lisiert sind) eine andere Orientierung zueinander haben und daher mit unterschiedlichen Kräften aufeinander einwirken als bei der Einstellung des Gegenmagneten 5 in der Fig. 5. Die Fig. 7 zeigt wie die Abbildungen Fig. 5 und 6 einen Aufbau mit einem Gegenmagneten 5, der sich hier oberhalb der Schwingmasse 2 befindet. In einer Einstellung des Gegenmagneten 5 stehen sich somit in Bezug auf die Magnetfelder des Gegenmagneten und der Schwingmasse Südpol und Nordpol oder gleichnamige Pole einander gegenüber. Die Längsachse 51 und die Drehachse 52 des Gegenmagneten 5 stehen dabei senkrecht zueinander.
Die Fig. 8 zeigt - ähnlich zur Fig. 3 - den Effekt des Drehens des Gegenmagneten in der Ausgestaltung der Fig. 7. Der Abstand d zwischen dem Gegenmagneten 5 und der Schwingmasse 2 beträgt dabei 15 mm.
In der Ausgestaltung der Fig. 9 befindet sich der Gegenmagnet 5 vor der Schwingmasse 2 und somit auch vor dem freien Ende 1 1 des Biegebalkens 1. Dabei liegen in der darge- stellten Einstellung des Gegenmagneten 5 die Längsachsen 21 der Schwingmasse 2 und die Längsachse 51 des Gegenmagneten 5 paraiiel und im Abstand d zueinander. War somit in den oberen Beispielen der Abstand d ein vertikaler Abstand bezogen auf die Ebene des Biegebalkens 1 , so handelt es sich hier um einen lateralen Abstand. In dieser Einstellung des Gegenmagneten 5 sind dabei auch die Magnetfelder des Gegenmagneten 5 und der Schwingmasse 2 (beide sind hier wieder als Permanentmagneten ausgestaltet) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass sich auch deutlich weniger Feldlinien schneiden als in den obigen Beispielen. Daher ergab sich auch, dass der Effekt der Drehungen des Gegenmagneten 5 sehr gering sind. Diese Bauweise weist daher eine geringer Höhe als in den oberen Ausgestaltlungen auf, erfordert jedoch beispielsweise eine höhere Feldstärke bei dem Gegenmagneten 5.

Claims

Ansprüche
Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einem Biegebalken (1 ), mit einer Schwingmasse (2) und mit mindestens einem Gegenmagneten (5, 5'),
wobei die Schwingmasse (2) an einem freien Ende (1 1 ) des Biegebalkens (1 ) befindlich ist,
wobei die Schwingmasse (2) magnetische Eigenschaften aufweist,
wobei die Schwingmasse (2) und der Biegebalken (1 ) Teile eines Oszillators (3) mit einer Resonanzfrequenz (f) sind,
wobei der Gegenmagnet (5, 5') ein Magnetfeld (53, 53') erzeugt, und
wobei das Magnetfeld (53, 53') des Gegenmagneten (5, 5') um eine Drehachse (52, 52') derartig drehbar ist, so dass die Resonanzfrequenz (f) des Oszillators (3) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Schwingmasse (2) ein Magnetfeld (22) erzeugt. Vorrichtung nach Anspruch 2,
wobei die Schwingmasse (2) als Permanentmagnet ausgestaltet ist. Vorrichtung nach Anspruch 2,
wobei die Schwingmasse (2) mindestens ein Magnetelement (25) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Schwingmasse (2) und der Gegenmagnet (5, 5') derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Schwingmasse (2) und der Gegenmagnet (5, 5') Kräfte aufeinander ausüben, deren Richtungen und/oder deren Beträge abhängig von einer Orientierung zwischen der Schwingmasse (2) und dem Gegenmagneten (5, 5') sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5,
wobei die Schwingmasse (2) und der Gegenmagnet (5, 5') derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Resonanzfrequenz (f) des Oszillators (3) abhängig von der Orientierung ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei der Gegenmagnet (5, 5') um die Drehachse (52, 52') drehbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
wobei die Vorrichtung eine Drehvorrichtung (6, 6') aufweist, und
wobei die Drehvorrichtung (6, 6') derartig ausgestaltet ist, den Gegenmagneten (5,
5') zu drehen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die Drehachse (52, 52') im Wesentlichen senkrecht auf einer Längsachse (51 , 51 ') des Gegenmagneten (5, 5') steht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Schwingmasse (2) und der Gegenmagnet (5, 5') derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Einstellung des Gegenmagneten (5, 5') eine Längsachse (21 ) der Schwingmasse (2) und eine Längsachse (51 , 51 ') des Gegenmagneten (5, 5') im Wesentlichen parallel zueinander liegen.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei die Schwingmasse (2) und der Gegenmagnet (5, 5') derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Einstellung des Gegenmagneten (5, 5') eine Längsachse (51 , 51 ') des Gegenmagneten (5, 5') im Wesentlichen auf einer Verlängerung einer Längsachse (21 ) der Schwingmasse (2) liegt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
wobei die Vorrichtung zwei Gegenmagneten (5, 5') aufweist,
wobei die zwei Gegenmagneten (5, 5') jeweils ein Magnetfeld (53, 53') aufweisen, und
wobei die Magnetfelder (53, 53') der Gegenmagneten (5, 5!) um jeweils eine Drehachse (52, 52') drehbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
wobei die zwei Gegenmagneten (5, 5') auf unterschiedlichen Seiten der Schwingmasse (2) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vorrichtung eine Steuervorrichtung (7) aufweist, und
wobei die Steuervorrichtung (7) derartig ausgestaltet ist, die Frequenz (f) des Oszillators (3) basierend auf einer auf den Oszillator (3) einwirkenden Schwingung anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
wobei der Biegebalken (1 ) mit einem festen Ende (12) an einem Trägerelement (4) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
wobei der Biegebaiken (1 ) mindestens ein piezoelektrisches Element (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16,
wobei die Vorrichtung mindestens zwei Elektroden zum Abgreifen einer von dem mindestens einen piezoelektrischen Element (13) erzeugten elektrischen Spannung aufweist.
Verfahren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einem Oszillator (3), zu dem ein Biegebalken (1 ) und eine Schwingmasse (2) gehören,
wobei eine Resonanzfrequenz (f) des Oszillators (3) eingestellt wird, indem ein Magnetfeld (53, 53') gedreht wird, das mit der Schwingmasse (2) wechselwirkt.
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