Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie das technische Gebiet der, insbesondere rotierenden, Antriebsstränge, Kupplungen und/oder Flansche, insbesondere der Messtechnik in derartigen, insbesondere rotierenden, Antriebssträngen, Kupplungen und/oder Flanschen; im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung ein zur Anordnung innerhalb einer Kupplungs- oder Flanschanordnung oder eines rohrförmigen Hohlraums, insbesondere innerhalb eines Hohlwellenabschnitts, vorgesehenes Maschinenelement sowie ein zugehöriges Verfahren.

Stand der Technik

Hinsichtlich der Messtechnik in, insbesondere rotierenden, Antriebssträngen, Kupplungen und/oder Flanschen wird auf Drehmomentmesswellen und Drehmomentmessflansche mit optionaler Drehzahlmessung aufmerksam gemacht.

Zur Drehmomentmessung werden hierbei Dehnmessstreifen (DMS) genutzt, die umlaufend zur axialen und tangentialen Kraftmessung eingesetzt werden, wobei die tangentiale Kraftmessung in ein Drehmoment umgerechnet wird. Als Energiequelle bzw. zur Energieübertragung können Akkus / Akkumulatoren genutzt werden. Für die Datenübertragung sind zum Beispiel optische Übertragungsmethoden und Funk, wie etwa auf Basis von Bluetooth Low Energy (BLE), geeignet.

Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Stands der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Maschinenelement der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine autarke oder autonome Energieversorgung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Maschinenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird ein zur Anordnung innerhalb einer Kupplungs- oder Flanschanordnung oder eines rohrförmigen Hohlraums, insbesondere innerhalb eines Hohlwellenabschnitts, vorgesehenes Maschinenelement bereitgestellt, welches Maschinenelement mindestens einen Energiewandler zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie aufweist.

Der Begriff des rohrförmigen Hohlraums kann sich hierbei auch auf Halbzeuge, zum Beispiel in Form von Rohren oder von Hohlzylindern, beziehen, seien diese Halbzeuge mit oder ohne Anbauteilen oder beliebigen Anbauungen am Anfang und/oder am Ende. Flanschanordnungen können auch zwei gedrehte Scheiben mit Bohrungen aufweisen, die an ein Rohr mit Gewindebohrungen geschraubt werden können. Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie mittels mindestens eines Energiewandlers bereitgestellt, der in oder an einem innerhalb einer Kupplungs- oder Flanschanordnung oder eines rohrförmigen Hohlraums, insbesondere innerhalb eines Hohlwellenabschnitts, vorgesehenen Maschinenelement angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung kann also in einem Antriebsstrang, in einer Kupplung oder in einem Flansch mit Messtechnik als Energy Harvester, insbesondere mit mindestens einem Akku oder mit mindestens einem Akkumulatorelement und/oder mit mindestens einem kapazitiven Element oder mit mindestens einem Kondensator, zum Einsatz gelangen; als Bezeichnung kann hier Kupplung, insbesondere Sensorkupplung, mit Energy Harvesting oder Flansch mit Energy Harvesting genannt werden, und zwar unabhängig von der Anschlussverbindung (Konusklemmung, Halbschale, Klemmnabe, ...).

Ein derartiger Flansch kann zum Beispiel in einer Kupplung zwischen einem oder zwei elastischen Elementen angeordnet sein, und zwar unabhängig von der Art des/r elastischen Elements/e in der Kupplung. Durch diese(s) elastische(n) Element(e) werden ein Versatzausgleich und eine Reduktion der Reaktionskräfte auf ein oder mehrere Lager ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die mechanische Energie durch eine relative Rotationsbewegung des Energiewandlers relativ zu einer Drehachse oder Welle des Energiewandlers gegeben sein.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildungsform der vorliegenden Erfindung kann der Energiewandler als Erregereinrichtung oder Generator, insbesondere als bürstenlose oder schleifringlose Erregereinrichtung und/oder als Synchrongenerator, ausgebildet sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann die Drehachse oder Welle des Energiewandlers durch Schwerkraft, insbesondere durch mindestens ein exzentrisches Masseelement, in Position gehalten sein.

Insbesondere dann, wenn der Energiewandler oder Energy Harvester modular oder als eigenständiges bzw. separates Modul ausgebildet ist, kann sich zum Zwecke der variablen Aufbereitung der Masse ein modularer Aufbau des exzentrisches Masseelements oder der exzentrischen Masse mittels mindestens eines, vorzugsweise mittels zweier oder mehr, Plättchen, zum Beispiel aus Metall, als vorteilhaft erweisen. Durch eine derartige modulare Ausgestaltung kann das Gewicht der exzentrischen Masse auf die Leistungsausgabe des Energiewandlers oder Energy Harvesters in Abhängigkeit von dessen Anwendung abgestimmt werden.

Dies dient dazu, die Belastung auf die Wälzlager der Erregereinrichtung bzw. des Generators und das Gesamtgewicht des Energiewandlers oder Energy Harvesters so niedrig wie möglich zu halten und so dessen Lebensdauer zu maximieren.

Alternativ kann, insbesondere in Sehen-Produktion, die exzentrische Masse aus Vollmaterial hergestellt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Speichern der elektrischen Energie, insbesondere zum Speichern eines überschüssigen Anteils der elektrischen Energie, mindestens ein Speicherelement, insbesondere mindestens ein Akku oder mindestens ein Akkumulatorelement, vorgesehen sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine, insbesondere zum Erfassen einer auf die Kupplungs- oder Flanschanordnung oder auf den rohrförmigen Hohlraum, zum Beispiel auf den Hohlwellenabschnitt, einwirkenden Beanspruchung, zum Beispiel mechanischen Beanspruchung, vorgesehene Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe mit der elektrischen Energie versorgbar sein.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe mindestens einen Dehnmessstreifen (DMS) (--> Drehmomentmessung und/oder Axialkraftmessung), mindestens einen Drehratesensor (DRS) (--> Drehzahlmessung), mindestens einen Beschleunigungssensor (--> Beschleunigungsmessung), mindestens einen Temperatursensor, mindestens einen Verformungssensor oder dergleichen aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildungsform der vorliegenden Erfindung kann mindestens eine der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe zugeordnete Sensorelektronik vorgesehen sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe mindestens eine zum draht- oder kabellosen Übertragen von durch die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe ermittelten Sensordaten vorgesehene Funkantenne, insbesondere auf Basis von Bluetooth®, zugeordnet sein.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann das Maschinenelement innerhalb eines Rahmens, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl, oder innerhalb eines Gehäuses, insbesondere aus Kunststoff, aufgenommen sein.

Dies ist zum Beispiel dann von Vorteil, wenn Dehnmessstreifen (DMS) ab bestimmten Rohr-Durchmessern direkt in das Rohr geklebt werden. Hierbei würde ein Rahmen aus Aluminium oder aus Stahl entfallen, das heißt die Sensorelektronik, zum Beispiel in Form einer Platine mit Sensoren, wird dann zweckmäßigerweise in ein Kunststoffgehäuse gesteckt, das zum Beispiel durch ausgestaltete Klemmgeometrien oder eine Klebung im Rohr gehalten wird.

Hierbei spielt auch eine Rolle, dass Rahmen aus Aluminium oder aus Stahl bei größeren Durchmessern sehr schwer zu fertigen und somit auch relativ kostspielig sind. Ein beispielsweise per Additiv-Verfahren gefertigtes Kunststoffbauteil zum Halten der Elektronik ist hier preisgünstiger.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe innerhalb des Rahmens oder Gehäuses aufgenommen sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann der Rahmen oder das Gehäuse fest und/oder starr mit der Kupplungs- oder Flanschanordnung oder mit dem rohrförmigen Hohlraum, insbesondere mit dem Hohlwellenabschnitt, verbunden sein. In einer zweckmäßigen Weiterbildungsform der vorliegenden Erfindung kann der rohrförmige Hohlraum, insbesondere der Hohlwellenabschnitt, ein hohlzylinderförmiger Körper sein oder durch einen hohlzylinderförmigen Körper gebildet sein.

Erfindungsgemäß kann also in einem rotierenden Antriebsstrang mindestens ein Flansch oder mindestens eine, insbesondere intelligente, Kupplung mit mindestens einem, insbesondere miniaturisierten, Energiewandler oder Energy Harvester ausgerüstet werden. Dieses sogenannte Energy Harvesting sorgt für eine autonome Energieversorgung des Flansches, der Kupplung und/oder anderer elektronischer Bauteile, die nichts direkt mit der Sensorik, insbesondere mit der Sensorelektronik, zu tun haben müssen, durch Umwandlung vorhandener und ungenutzter mechanischer Energie, insbesondere Rotationsenergie, in elektrische Energie, insbesondere auf Basis von elektromagnetischer Induktion.

Der Sensor kann in Kombination mit einer Vielzahl verschiedener Flansch- oder Kupplungstypen eingesetzt werden, wobei durch das Energy Harvesting gemäß der vorliegenden Erfindung keine Festlegung auf einen bestimmten Flansch- oder Kupplungstyp erfolgt. Die vorliegende Erfindung betrifft mithin auch die Verwendung mindestens eines Maschinenelements gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art in einer Kupplungs- oder Flanschanordnung oder in einem rohrförmigen Hohlraum, insbesondere in einem Hohlwellenabschnitt, eines rotierenden Antriebsstrangs.

Erfindungsgemäß kann der Energiewandler oder Energy Harvester auch modular oder als eigenständiges bzw. separates Modul ausgebildet sein, also weder integriert noch als, insbesondere voll, integrierte Lösung. Bei einem derartigen modularen Aufbau ist nur ein Sensorikkörper-Design (anstelle zweier paralleler Designs) erforderlich, so dass höhere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten führen.

Sollte hierbei ein bestimmter Typ von Erregereinrichtung oder Generator nicht (mehr) verfügbar sein oder eine andere Erregereinrichtung bzw. ein anderer Generator benötigt werden, so können/kann die exzentrische Masse und die Elektronik auf die neue Erregereinrichtung bzw. auf den neuen Generator abgestimmt werden.

Dies gewährt die erforderliche Flexibilität, um eine große Bandbreite an Anwendungen bedienen zu können. Muss also die Erregereinrichtung bzw. der Generator ausgetauscht werden, zum Beispiel weil sie bzw. er nicht mehr auf dem Markt verfügbar ist, so ist lediglich das Energiewandler- bzw. Energy Harvesting-Modul anzupassen; die Serienproduktion des Sensormoduls kann jedoch unangetastet bleiben.

Bei modularer Ausgestaltung des Energiewandlers oder Energy Harvesters berücksichtigt die Auslegung von dessen Elektronik erfindungsgemäß zwei bedeutsame technische Problemstellungen, die bei Nicht- Berücksichtigung den Energiewandler bzw. Energy Harvester in einen Unwucht-Generator verwandeln würden. Ein derartiger Unwucht-Fall darf keinesfalls auftreten, da Unwuchten in Antriebssträngen zu gravierenden Schäden führen können:

So kann ein derartiger Unwucht-Generator infolge von Resonanzen auftreten, das heißt bei Tests hat sich In einem Drehzahlbereich von 0 bis 3.000 Umdrehungen pro Minute gezeigt, dass Resonanzeffekte dazu führen können, dass sich die exzentrische Masse in einem bestimmten Drehzahlbereich im ungünstigsten Fall überschlagen kann und so zum Unwucht-Generator wird. In diesem Zusammenhang bedeutet der ungünstigste Fall, dass sich die exzentrische Masse über einen längeren Zeitraum im kritischen Drehzahlbereich aufhält, so dass die exzentrische Masse genügend Zeit hat, um sich aufzuschwingen.

Durch die gezielte Auswahl von elektronischen Komponenten des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters und ein darauf abgestimmtes Platinen-Layout der Elektronik kann dieser Effekt zum Zwecke der Drehzahlsicherung stark gedämpft werden, so dass der Resonanzfall unter Betriebsbedingungen kein Problem mehr darstellt.

Weiterhin ist beim Platinen-Layout der Elektronik des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters berücksichtigt, dass ein Überschlagen der exzentrische Masse außerhalb des Resonanzeffekts nicht auftritt. Die Herausforderung besteht hierbei darin, die Leistungsabgabe so zu kontrollieren, dass die geforderte Leistung zur Verfügung gestellt werden kann, überschüssige Leistung jedoch kontrolliert abgeführt wird; andernfalls könnte der Widerstand vom Magnetfeld so stark werden, dass der Rotor mit der exzentrischen Masse mitgezogen wird, überschlägt und so im Normalbetrieb zu einem Unwucht-Generator wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ausgangsleistung der Energy Harvesting-Elektronik auf einen bestimmten Wert, zum Beispiel auf etwa 50 Milliwatt, begrenzt sein. Auf diese Weise wird vermieden, dass die exzentrische Masse bzw. das exzentrische Masseelement am Energiewandler, insbesondere am Generator, bei höheren Drehzahlen immer stärker ausgelenkt wird und sich schlussendlich mit der Welle mitdreht.

Durch eine derartige bevorzugte Ausgestaltung der Elektronik, nämlich durch eine Begrenzung der Ausgangsleistung der dem Energiewandler bzw. Energy Harvester zugeordneten Elektronik werden hier zusätzlich die beiden oben bereits angesprochenen Problemfälle kontrolliert:

Zum einen kann eine Resonanz im elektrischen Kreislauf zu einem Überschlag des exzentrischen Masseelements führen. Im Bereich oberhalb einer bestimmten oder definierten Drehzahl, die zur Aktivierung der Begrenzung des Ausgangsstroms des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters führt, kann es zu einem Aufschwingverhalten des exzentrischen Masseelements kommen. Um dieses Verhalten zu steuern, kann die, insbesondere mittels mindestens eines Glättungskondensators bereitstellbare, Glättungskapazität nach dem Gleichrichter ausreichend groß dimensioniert werden.

Zum anderen geht es darum, auch im Normalbetrieb ein Überschlagen des exzentrischen Masseelements zuverlässig zu verhindern. Beim Hochfahren des Systems oder bei niedrigen Drehzahlen liegt der Wert des Generatorstroms in der Regel deutlich über den Werten bei hohen Drehzahlen. Dies ergibt sich durch die niedrige Ausgangsspannung des Generators in diesem Bereich. Durch einen "Softstart" wird der Generatorstrom durch die Elektronik erst langsam gesteigert. Dies verhindert ein frühes Mitdrehen des exzentrischen Masseelements mit der Welle.

Durch die flexible Auslegung des Energiewandlers oder Energy Harvesters mit Erregereinrichtung bzw. Generator, exzentrischem Masseelement und Elektronik wird auch Flexibilität bei der Verbindungsstruktur zwischen dem, vorzugsweise als zylindrischer Hohlkörper ausgebildeten, Gehäuse 18 und den Komponenten des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 benötigt.

Dies kann durch (ein) additive(s) Fertigung(sverfahren), insbesondere durch dreidimensionales Drucken (3D- Druck), erreicht werden. Hierdurch wird beim Energiewandler oder Energy Harvester 10 in bevorzugter Weise ein hohes Maß an Flexibilität und Wirtschaftlichkeit bei niedrigen Stückzahlen erzielt. Alternativ können auch andere Fertigungsverfahren herangezogen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend unter anderem anhand der durch Fig. 1 A bis Fig. 4B veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1A in partiell transparenter Perspektivdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine einen Hohlwellenabschnitt aufweisende mechanische Kupplungs- oder Flanschanordnung, innerhalb derer ein Ausführungsbeispiel für ein Maschinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangen kann, das gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;

Fig. 1 B in perspektivischer Längsschnittdarstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine einen Hohlwellenabschnitt aufweisende mechanische Kupplungs- oder Flanschanordnung, innerhalb derer ein Ausführungsbeispiel für ein Maschinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangen kann, das gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;

Fig. 1C in perspektivischer Längsschnittdarstellung den Hohlwellenabschnitt aus Fig. 1 B;

Fig. 1 D in Längsschnittdarstellung die den Hohlwellenabschnitt aus Fig. 1 B und Fig. 1C aufweisende mechanische Kupplungs- oder Flanschanordnung aus Fig. 1 A;

Fig. 2A in perspektivischer Längsschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel für einen rohrförmigen Hohlraum, innerhalb dessen ein Ausführungsbeispiel für ein Maschinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangen kann, das gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann;

Fig. 2B in Längsschnittdarstellung den rohrförmigen Hohlraum aus Fig. 2A;

Fig. 3A in partiell aufgerissener Perspektivdarstellung ein Ausführungsbeispiel für das Maschinenelement aus Fig. 1A bis Fig. 2B;

Fig. 3B in detaillierterer Perspektivdarstellung das Maschinenelement aus Fig. 3A;

Fig. 3C in transparenter Perspektivdarstellung das von einem Hohlwellenabschnitt oder rohrförmigen Hohlraum umgebene Maschinenelement aus Fig. 3A und Fig. 3B;

Fig. 4A in transparenter Perspektivdarstellung ein Ausführungsbeispiel für ein modular ausgebildetes Maschinenelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann; und

Fig. 4B in detaillierterer Perspektivdarstellung ein Ausführungsbeispiel für ein dem Maschinenelement aus Fig. 4A zugeordnetes exzentrisches Masseelement mit mehreren modularen (Metall-)Plättchen zum Zwecke der variablen Aufbereitung der Masse.

Gleiche, ähnliche oder übereinstimmende Ausgestaltungen, Elemente und/oder Merkmale sind in Fig. 1A bis Fig. 4B mit denselben Bezugszeichen versehen; es wird auf eine wiederholte Beschreibung dieser Ausgestaltungen, Elemente und/oder Merkmale verzichtet. Fig. 1A bis Fig. 4B sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; etwaige Bemessungs- und/oder Dimensionsierungsangaben in Fig. 1A bis Fig. 4B sind rein beispielhaft.

Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung

Die Fig. 1A bis Fig. 4B beziehen sich auf ein Maschinenelement 100, das innerhalb mechanischer Bauteile, insbesondere innerhalb mechanischer Kupplungsbauteile, nämlich

- innerhalb einer Kupplungs- oder Flanschanordnung 300, insbesondere innerhalb eines Hohlwellenabschnitts 302 der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A bis Fig. 1 D), bzw.

- innerhalb eines rohrförmigen Hohlraums 300', insbesondere innerhalb eines Hohlwellenabschnitts 302 des rohrförmigen Hohlraums 300' (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A und Fig. 2B), zum Beispiel eines rotierenden Antriebsstrangs, angeordnet ist und eine autarke und/oder autonome Energieversorgung der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 bzw. des rohrförmigen Hohlraums 300' und anderer elektronischer Bauteile durch Umwandlung mechanischer Rotationsenergie in elektrische Energie auf Basis von elektromagnetischer Induktion ermöglicht.

Hierzu weist das Maschinenelement 100 einen Energiewandler 10 zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie auf, nämlich indem die mechanische Energie durch eine relative Rotationsbewegung des Energiewandlers 10 relativ zu einer Drehachse oder Welle 12 des Energiewandlers 10 gegeben ist, wobei diese Drehachse oder Welle 12 des Energiewandlers 10 durch Schwerkraft, nämlich durch mindestens ein exzentrisches Masseelement 14 (vgl. Fig. 3A, Fig. 3B), in Position gehalten wird.

Die Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 bzw. der rohrförmige Hohlraum 300' wird durch Drehmoment in eine Drehbewegung versetzt. Hierbei sind die Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 bzw. der rohrförmige Hohlraum 300', ein Rahmen 200, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl, oder ein Gehäuse, insbesondere aus Kunststoff, eine Sensorelektronik 24 und der Energiewandler 10 fest miteinander verbunden.

Die genannten Komponenten drehen sich um die Drehachse oder Welle 12. Hierbei wird die Welle 12 durch das exzentrische Masseelement 14 infolge der Schwerkraft in Position gehalten. Durch die Relativbewegung der beiden Baugruppen zueinander wird die notwendige elektrische Leistung generiert und kann als EnergiereservoirAquelle für beliebige nachgelagerte Komponenten, zum Beispiel für eine Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20, genutzt werden. Wie zum Beispiel der exemplarischen Darstellung der Fig. 3C entnehmbar ist, ist der Energiewandler 10 als Erregereinrichtung oder Generator, insbesondere als bürstenlose oder schleifringlose Erregereinrichtung und/oder als Synchrongenerator, ausgebildet (Schrittmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor oder ähnliche Generatoreinrichtung).

Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit geht aus der exemplarischen Darstellung der Fig. 3C hervor, dass zum Speichern der elektrischen Energie, insbesondere zum Speichern eines überschüssigen Anteils der elektrischen Energie, ein wiederaufladbares Speicherelement 30 in Form eines Akkus oder Akkumulatorelements vorgesehen ist.

Wie der Darstellung des jeweiligen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4A und gemäß Fig. 4B entnehmbar ist, kann der Energiewandler oder Energy Harvester 10 auch modular oder als eigenständiges bzw. separates Modul ausgebildet sein, also weder integriert noch als, insbesondere voll, integrierte Lösung. Bei einem derartigen modularen Aufbau ist nur ein Sensorikkörper-Design (anstelle zweier paralleler Designs) erforderlich, so dass höhere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten führen.

Sollte hierbei ein bestimmter Typ von Erregereinrichtung oder Generator nicht (mehr) verfügbar sein oder eine andere Erregereinrichtung bzw. ein anderer Generator benötigt werden, so können/kann die exzentrische Masse 14 und die Elektronik 16 auf die neue Erregereinrichtung bzw. auf den neuen Generator abgestimmt werden. Dies gewährt die erforderliche Flexibilität, um eine große Bandbreite an Anwendungen bedienen zu können. Muss also die Erregereinrichtung bzw. der Generator ausgetauscht werden, zum Beispiel weil sie bzw. er nicht mehr auf dem Markt verfügbar ist, so ist lediglich das Energiewandler- bzw. Energy Harvesting- Modul 10 anzupassen; die Serienproduktion des Sensormoduls kann jedoch unangetastet bleiben.

Bei modularer Ausgestaltung des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 berücksichtigt die Auslegung von dessen Elektronik 16 zwei bedeutsame technische Problemstellungen, die bei Nicht-Berücksichtigung den Energiewandler bzw. Energy Harvester 10 in einen Unwucht-Generator verwandeln würden. Ein derartiger Unwucht-Fall darf keinesfalls auftreten, da Unwuchten in Antriebssträngen zu gravierenden Schäden führen können:

So kann ein derartiger Unwucht-Generator infolge von Resonanzen auftreten, das heißt bei Tests hat sich In einem Drehzahlbereich von 0 bis 3.000 Umdrehungen pro Minute gezeigt, dass Resonanzeffekte dazu führen können, dass sich die exzentrische Masse in einem bestimmten Drehzahlbereich im ungünstigsten Fall überschlagen kann und so zum Unwucht-Generator wird. In diesem Zusammenhang bedeutet der ungünstigste Fall, dass sich die exzentrische Masse über einen längeren Zeitraum im kritischen Drehzahlbereich aufhält, so dass die exzentrische Masse genügend Zeit hat, um sich aufzuschwingen.

Durch die gezielte Auswahl von elektronischen Komponenten 16 des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters 10 und ein darauf abgestimmtes Platinen-Layout der Elektronik 16 kann dieser Effekt zum Zwecke der Drehzahlsicherung stark gedämpft werden, so dass der Resonanzfall unter Betriebsbedingungen kein Problem mehr darstellt.

Weiterhin ist beim Platinen-Layout der Elektronik 16 des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters 10 berücksichtigt, dass ein Überschlagen der exzentrische Masse 14 außerhalb des Resonanzeffekts nicht auftritt. Die Herausforderung besteht hierbei darin, die Leistungsabgabe so zu kontrollieren, dass die geforderte Leistung zur Verfügung gestellt werden kann, überschüssige Leistung jedoch kontrolliert abgeführt wird; andernfalls könnte der Widerstand vom Magnetfeld so stark werden, dass der Rotor mit der exzentrischen Masse mitgezogen wird, überschlägt und so im Normalbetrieb zu einem Unwucht-Generator wird.

Wird die Ausgangsleistung der Energy Harvesting-Elektronik 16 auf einen bestimmten Wert, zum Beispiel auf etwa 50 Milliwatt, begrenzt, so kann vermieden werden, dass die exzentrische Masse bzw. das exzentrische Masseelement 14 am Energiewandler 10, insbesondere am Generator, bei höheren Drehzahlen immer stärker ausgelenkt wird und sich schlussendlich mit der Welle 12 mitdreht.

Durch eine derartige Ausgestaltung der Elektronik 16, nämlich durch eine Begrenzung der Ausgangsleistung der dem Energiewandler bzw. Energy Harvester 10 zugeordneten Elektronik 16 werden hier zusätzlich die beiden oben bereits angesprochenen Problemfälle kontrolliert:

Zum einen kann eine Resonanz im elektrischen Kreislauf zu einem Überschlag des exzentrischen Masseelements 14 führen. Im Bereich oberhalb einer bestimmten oder definierten Drehzahl, die zur Aktivierung der Begrenzung des Ausgangsstroms des Energiewandlers bzw. Energy Harvesters 10 führt, kann es zu einem Aufschwingverhalten des exzentrischen Masseelements 14 kommen. Um dieses Verhalten zu steuern, kann die mittels eines oder mehrerer Glättungskondensatoren bereitgestellte Glättungskapazität nach dem Gleichrichter ausreichend groß dimensioniert werden.

Zum anderen geht es darum, auch im Normalbetrieb ein Überschlagen des exzentrischen Masseelements 14 zuverlässig zu verhindern. Beim Hochfahren des Systems oder bei niedrigen Drehzahlen liegt der Wert des Generatorstroms in der Regel deutlich über den Werten bei hohen Drehzahlen. Dies ergibt sich durch die niedrige Ausgangsspannung des Generators 10 in diesem Bereich. Durch einen "Softstart" wird der Generatorstrom durch die Elektronik 16 erst langsam gesteigert. Dies verhindert ein frühes Mitdrehen des exzentrischen Masseelements 14 mit der Welle 12.

Im modular ausgebildeten Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 4A und Fig. 4B) ist das exzentrische Masseelement 14 modular, nämlich zum Zwecke der variablen Aufbereitung der Masse mittels mehrerer einander zugeordneter Metallplättchen 14m, ausgestaltet. Durch eine derartige modulare Ausgestaltung kann das Gewicht der exzentrischen Masse 14 auf die Leistungsausgabe des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 in Abhängigkeit von dessen Anwendung abgestimmt werden.

Dies dient dazu, die Belastung auf die Wälzlager der Erregereinrichtung bzw. des Generators und das Gesamtgewicht des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 so niedrig wie möglich zu halten und so dessen Lebensdauer zu maximieren.

Alternativ kann, insbesondere in Serien-Produktion, die exzentrische Masse 14 aus Vollmaterial hergestellt werden.

Wie aus der exemplarischen Darstellung der Fig. 1 A bis Fig. 1 D bzw. der Fig. 2A und Fig. 2B ersichtlich ist, wird eine zum Erfassen einer auf die Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 bzw. auf den rohrförmigen Hohlraum 300', zum Beispiel auf deren bzw. dessen Hohlwellenabschnitt 302, einwirkenden Beanspruchung, zum Beispiel mechanischen Beanspruchung, vorgesehene Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 mit der elektrischen Energie versorgt.

Zur Betriebsüberwachung weist diese Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 also unterschiedliche Sensoren, so etwa Dehnmessstreifen 22 (vgl. Fig. 3B) und/oder Drehratesensor(en) und/oder Beschleunigungssensor(en) und/oder Temperatursensor(en) und/oder Verformungssensor(en), auf, die mit Funkübertragung (vgl. Funkantenne 26 in Fig. 3A, die der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 zum draht- oder kabellosen Übertragen, insbesondere auf Basis von Bluetooth®, von durch die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 ermittelten Sensordaten, zugeordnet ist) in rotierenden Kupplungs- und/oder Flanschelementen 300 (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A bis Fig. 1 D) bzw. in rotierenden rohrförmigen Hohlräumen 300' (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A und Fig. 2B) eingesetzt werden können.

Des Weiteren weist diese Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 die zugeordnete Sensorelektronik in Form einer Platine 24 auf.

Neben den Sensorelementen können auch die Funkübertragungskomponenten permanent aktiv sein, so dass der Leistungsverbrauch beispielsweise zwischen etwa 30 mW und etwa 60 mW liegen kann. Die Kupplungen können mit einer Drehzahl zum Beispiel von etwa 700 U/min bis etwa 6.000 U/min, wie etwa mit einer Drehzahl zum Beispiel von etwa 3.000 U/min, rotieren. Hierbei sollte die Drehzahl so gewählt und eingestellt werden, dass durch die Drehbewegung nach dem Generatorprinzip ausreichend Leistung für die nachgeschaltete Elektronik, insbesondere für die nachgeschaltete Sensorelektronik 24, zur Verfügung steht.

Für die Datenübertragung kann Induktion oder Funk, zum Beispiel Bluetooth Low Energy (BLE), genutzt werden. Als Funksystem kann also das Bluetooth-Modul eingesetzt werden. Hierfür kann eine kabellose, langlebige, wartungsfreie Energieversorgung dienen. Da Batterien aufgrund der erforderlichen Wartung nur bedingt einsetzbar sind, kann die elektrische Energie aus der Bewegung des Kupplungselements gewonnen werden, so dass erfindungsgemäß eine autarke Energieversorgung realisiert ist, die die Rotationsenergie des Kupplungselements in elektrische Energie umwandelt.

Wie zum Beispiel der exemplarischen Darstellung der Fig. 3A und Fig. 3B entnehmbar ist, sind das Maschinenelement 100 sowie die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 innerhalb des Rahmens 200, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl, oder innerhalb des Gehäuses, insbesondere aus Kunststoff, aufgenommen. Dieser/s Rahmen oder Gehäuse 200 ist fest oder starr mit der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300, insbesondere mit dem Hohlwellenabschnitt 302 der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1A bis Fig. 1 D), bzw. fest oder starr mit dem rohrförmigen Hohlraum 300', insbesondere mit dem Hohlwellenabschnitt 302 des rohrförmigen Hohlraums 300' (vgl. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2A und Fig. 2B), verbunden, wobei der Hohlwellenabschnitt 302 durch einen hohlzylinderförmigen Körper gebildet ist.

Die Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 kann in Kombination mit einer Vielzahl verschiedener Flanschoder Kupplungstypen 300 oder rohrförmigen Hohlräume 300' eingesetzt werden, wobei durch das Energy Harvesting gemäß der vorliegenden Erfindung keine Festlegung auf einen bestimmten Flansch- oder Kupplungstyp erfolgt. Die vorliegende Erfindung betrifft mithin die Verwendung eines Maschinenelements 100 und des zugeordneten Verfahrens zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie in der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 oder im rohrförmigen Hohlraum 300', insbesondere im Hohlwellenabschnitt 302 der Kupplungs- oder Flanschanordnung 300 bzw. des rohrförmigen Hohlraums 300', zum Beispiel des rotierenden Antriebsstrangs.

Der Sensor kann also insbesondere in Kombination mit einer Vielzahl verschiedener Kupplungstypen eingesetzt werden, wobei durch das Energy Harvesting gemäß der vorliegenden Erfindung keine Festlegung auf einen bestimmten Kupplungstyp erfolgt.

Zusätzlich zum Flansch und/oder zur Kupplung kann ein Ladekabel, zum Beispiel ein USB-Ladekabel, insbesondere mit magnetischem Endanschluss mit ausgeliefert werden. Der magnetische Endanschluss wird in der Bohrung 28 des Flansches oder der Kupplung eingebracht und verklebt; somit kann die Kupplung zum Beispiel mit einer Powerbank geladen werden.

Durch die flexible Auslegung des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 mit Erregereinrichtung bzw. Generator, exzentrischem Masseelement 14 und Elektronik 16 wird auch Flexibilität bei der Verbindungsstruktur zwischen dem als zylindrischer Hohlkörper ausgebildeten Gehäuse 18 und den Komponenten des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10 benötigt. Dies kann durch (ein) additive(s) Fertigung(sverfahren), insbesondere durch dreidimensionales Drucken (3D-Druck), erreicht werden.

Hierdurch wird beim Energiewandler oder Energy Harvester 10 in bevorzugter Weise ein hohes Maß an Flexibilität und Wirtschaftlichkeit bei niedrigen Stückzahlen erzielt. Alternativ können auch andere Fertigungsverfahren herangezogen werden.

Liste der Bezugszeichen

100 Maschinenelement

10 Energiewandler oder Energy Harvester

12 Drehachse oder Welle

14 exzentrisches Masseelement

14m Plättchen, insbesondere Metallplättchen, des exzentrischen Masseelement 14

16 Elektronik, insbesondere elektronische Komponenten, des Energiewandlers oder Energy Harvesters 10

18 Gehäuse, insbesondere zylindrischer Hohlkörper

20 Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe

22 Dehnmessstreifen der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20

24 Sensorelektronik, insbesondere Platine, der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20

26 Funkantenne, insbesondere Bluetooth-Antenne, der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20

28 Bohrung, insbesondere magnetischer Anschluss, für Ladekabel, insbesondere für USB-Ladekabel

30 Speicherelement, insbesondere Akku

200 Rahmen oder Gehäuse, insbesondere Sensorkörper, der Sensoreinrichtung oder Sensorbaugruppe 20 300 Kupplungs- oder Flanschanordnung oder Kupplungs- oder Flanschelement

300' rohrförmiger Hohlraum

302 Hohlwellenabschnitt