Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit mindestens einem Permanentmagneten und mindestens einer Induktionsspule, die durch Schütteln oder Erschütterungen relativ zueinander bewegt werden. Derartige Vorrichtungen sind bereits mehrfach bekannt, beispielsweise aus der WO 97/30308 oder der US 5,347,186, und werden vor allem zur Stromversorgung von bewegbaren Geräten oder Einrichtungen verwendet, die nur gelegentlich elektrische Energie benötigen oder nicht dauerversorgbar sind. Die Vorrichtungen enthalten eine Spule, die eine in der Bewegungsrichtung liegende Achse aufweist, und einen Permanentmagneten, der durch die Spule hin und her bewegt wird. Diese Lösungen sind in der Dimensionierung der beiden zusammenwirkenden Teile beschränkt, da der innere Spulendurchmesser den Querschnitt des Permanentmagneten bestimmt, wobei ein Rohr einerseits als Träger der Windungen der Spule und andererseits als Gleitlager für den Permanentmagneten den Spulenquerschnitt nochmals verkleinert.

Im Vergleich mit einer Pendellagerung um eine Schwenkachse ist die Gleitlagerung linear hin und her schwingender Teile problematischer, da größere Lagerflächen notwendig sind, größere Reibungsflächen gegeben sind, eine eventuelle Schmierung schwieriger ist, usw. Diese Kriterien sind aber ebenso wie das Zusammenspiel zwischen der Spule und dem Permanentmagneten maßgeblich für die Energieausbeute verantwortlich. Schwergängigkeit, ungünstige Zuordnungen usw. wirken sich nämlich nicht in kleinen Verlusten von wenigen Prozenten der Energieausbeute sondern mit deren massiven Verringerung aus, mit anderen Worten, die Vorrichtung liefert nur unter optimalen Bedingungen brauchbare Mengen von Energie.

Hierzu gehören eine möglichst gut aufeinander abgestimmte Auslegung der Spulen der Permanentmagnete, oft- und längstmögliches Schwingen im Resonanzbereich, und nach Möglichkeit, wenn die Erregerfrequenz beim Schütteln oder durch Erschütterungen sich wesentlich ändert, auch eine Anpassmöglichkeit an die änderungen, um so lange als möglich im Resonanzbereich zu bleiben, sowie eine Variationsmöglichkeit der Abführung der erzeugten Energie, da das Schwingen gebremst wird, wenn die Energieabführung steigt.

Die Erfindung schlägt nun zur Behebung dieses Problems vor, dass die mindestens eine zwischen den Polflächen mindestens eines Paares einander gegenüberliegender Permanentmagnete angeordnet ist, und dass eine Schwenkachse vorgesehen ist, um die die Spule oder das Permanentmagnetpaar relativ zueinander verschwenkbar sind. In der Kombination der Anordnung der Spule zwischen den Polflächen zweier Permanentmagneten, wobei ein Nordpol und ein Südpol einander gegenüberliegen, und der Lagerung um eine Schwenkachse lassen sich die erstgenannten Kriterien weitgehend erfüllen. Die Reibungsflächen sind minimiert, eine Achslagerschmierung kann einfacher erfolgen, falls erforderlich. Des Weiteren kann der Luftspalt zwischen den Polflächen der Spule so gering als möglich gehalten werden, da kein Spiel bleiben muss, wie es für eine lineare Gleitlagerung unumgänglich ist. Die zwischen den Polflächen schwingende Spule bzw. die beiderseits der Spule schwingenden Permanentmagnete stellen weiters sicher, dass sich die Windungen der Spule mit möglichst hoher Geschwindigkeit durch das Magnetfeld bewegen können und die Verluste in den Umkehrbereichen klein bleiben.

Um eine kompakte Konstruktion zu erzielen, ist in einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass die Spule eine sich senkrecht zu den Polflächen erstreckende Spulenachse aufweist.

Ein im Wesentlichen geschlossener Magnetfluss kann in einer weiteren bevorzugten Ausführung durch ferromagnetische Teile, insbesondere Eisenkappen erreicht werden, an denen zwei Permanentmagnetpaare mit unterschiedlicher Polung hintereinander vorgesehen sind.

Die einzelnen Permanentmagnete und die Spulen können in einer Ausführung etwa gleiche Abmessungen aufweisen, sodass sich das magnetische Feld bei der Bewegung eines der beiden Teile ständig ändert.

Eine bevorzugte Ausführung, in der die Spannung insbesondere durch händisches Schütteln erzeugt werden kann, sieht vor, dass die Permanentmagnetpaare zwischen rückfedernden Endanschlägen um eine Schwenkachse hin und her schwingen, die sich parallel zur Spulenachse erstreckt, wobei je nach Länge des Bogens auch mehr als eine Spule hintereinander vorgesehen sein kann.

Da eine Verdrahtung einer um eine Achse schwenkenden Spule keine

Schwierigkeiten bereitet, kann auch die Spule zwischen den rückfedemden Endanschlägen hin und her schwingen.

Eine andere bevorzugte Ausführung, die vorteilhaft zur Erzeugung der Energie durch Erschütterungen herangezogen werden kann, die bei der Fortbewegung von mit der Vorrichtung bestückten Körpern auftreten, sieht vor, dass die Spule um eine Schwenkachse schwingt, die sich senkrecht zur Spulenachse erstreckt. Selbstverständlich ist auch die Umkehrung möglich, dass das Permanentmagnetpaar bewegt wird und die Spule gehäusefest ist.

Die Spule ist bevorzugt an einem Schwenkkörper mit seitlichen Schwenkarmen gehalten und schwingt zwischen zwei nacheinander in Bogen angeordneten Permanentmagnetpaaren, sodass eine kompakte Konstruktion erreicht wird. Dennoch können in einfacher Weise auch in einer derartigen Ausführung zwei Spulen vorgesehen sein, wenn die Anordnung verdoppelt wird und je eine Einheit, die aus einer schwingenden Spule und zwei Permanentmagneten besteht, diametral zur Schwenkachse vorgesehen sind.

Für die Optimierung von Ausführungen, in denen die Energie durch Erschütterungen eines sich fortbewegenden Körpers z.B. eines Sportgerätes oder dergleichen erzeugt wird, sind rückfedernde Endanschläge meist nicht ausreichend, um die Schwingung überhaupt bzw. möglichst lange im Resonanzbereich zu halten. Bevorzugt ist daher eine Einrichtung vorgesehen, mittels der Federung und Dämpfung eingestellt werden kann, und die beispielsweise eine Blattfeder aufweisen kann, deren erstes Ende mit dem Schwenkkörper verbunden und deren zweites Ende gehäusefest geführt bzw. gehalten ist. Die Blattfeder weist eine neutrale Mittelstellung auf, die bevorzugt justiert werden kann und ist nach beiden Seiten wirksam. Die gehäusefeste Verbindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Haltebügel oder dergleichen gebildet, der in Längsrichtung der Blattfeder verstellt werden kann, um die wirksame Federlänge zu verändern. Hierfür kann in einer weiteren Ausführung auch ein Stellmotor vorgesehen sein, der durch einen Teil der erzeugten Energie angetrieben werden kann. Die überschüssige Energie lässt sich bevorzugt in einem Energiespeicher ablagern, beispielsweise einem Akkumulator, einem Kondensator od. dgl., wobei für die Anpassung und Optimierung eine elektronische Steuerung vorgesehen sein kann.

Wird eine sogenannte intelligente Steuerelektronik eingesetzt, so kann die Energieausbeute aus der Erregerfrequenz (Schüttel- bzw. Erschütterungsfrequenz) durch eine ständige Anpassung an die momentane Erregerfrequenz verbessert werden, um den möglichen Weg des schwingenden Teils zumindest weitgehend auszunutzen, und den Resonanzbereich nicht zu verlassen.

Nachstehend wird nun die Erfindung anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

Fig. 1 einen gebogenen Schnitt durch eine erste Ausführung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung im Schnitt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführung,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Ausführung nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Detail in Schrägansicht, Fig. 6 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 2 einer vierten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 7 und 8 zwei Messkurven mit Spannungs- und Leistungsverlauf einer mittels einer Schüttelvorrichtung angeregten Ausführung nach Fig. 3.

In einer ersten Ausführung nach Fig. 1 weist die Vorrichtung ein Gehäuse 1 auf, in dem zumindest eine Induktionsspule 2 vorgesehen ist. Die Induktionsspule 2 ist etwa rechteckig gewickelt und erstreckt sich in der Längsmitte des Gehäuses 1 von einer an der Gehäusestirnseite nach innen vorstehenden Rippe 9 nicht ganz bis zur Hälfte. Eine zweite Induktionsspule 2 ist in gleicher Weise in der anderen Gehäusehälfte vorgesehen, und zwischen den beiden Induktionsspulen 2 ist ein trennender Mittelsteg

10 angeordnet. Zu beiden Seiten der Spulen 2 erstrecken sich gebogene Führungsbahnen für Permanentmagnete 5, deren Krümmungsmittelpunkt in der Achse

11 liegt, und die etwa zwei Drittel der Führungsbahnen einnehmen und zu beiden Stirnseiten hin über je eine Schraubenfeder 7 abgestützt sind. Insgesamt sind vier Permanentmagnete 5 paarweise einander gegenüberliegend angeordnet, wobei jeweils ein Nord- und ein Südpol zueinander weisen, diese Anordnung aber paarweise vertauscht ist. Die Permanentmagnete 5 sind auf ferromagnetischen Teilen 8 (Eisenkappen) mit einem Abstand 6 zueinander angeordnet, die an in der Fig. 1 nicht ersichtlichen Armen auf der Schwenkachse 11 gelagert sind. Der von den vier Permanentmagneten 5 erzeugte magnetische Fluss fließt daher in einem im

Wesentlichen geschlossenen Kreis ohne nennenswerte Luftspalte zu überbrücken. Wird das Gehäuse 1 in Richtung des Doppelpfeiles A hin und her geschüttelt, so induziert das hin und her wandernde Magnetfeld eine Spannung in den Spulen 2. Die unbeweglichen Spulen 2 können problemlos verdrahtet werden. Anstelle der gezeigten Schraubenfedern 7 könnten auch andere elastische Endanschläge vorgesehen sein, beispielsweise auch Permanent-magnete mit entsprechend abstoßender Polung. Die Spulen 2, deren Achsen 3 senkrecht zu den Polflächen der Permanentmagnete 5 und parallel zur Schwenkachse 11 liegen, können auch einen Eisenkern umschließen.

Selbstverständlich können auch die Spulen 2 beweglich und die Permanentmagneten 5 gehäusefest angeordnet werden, da die Verdrahtung der um die Achse 11 schwenkbaren Spulen 2 ebenfalls keine Probleme ergibt.

In der Ausführung nach Fig. 2 bis 6 liegt eine Schwenkbewegung um eine Achse 11 vor, die senkrecht zur Achse 3 der Spule 2 verläuft. Sowohl die Permanentmagnete 5 und die ferromagnetischen Teile 8 als auch die Spule 2 sind kreisbogenförmig gekrümmt. Da auch in dieser Ausführung die Verdrahtung der Spulen 2 über die Achse 11 geführt werden kann, ist in Fig. 2 die Spule 2 im Gehäuse 1 beweglich und die vier Permanentmagneten 5 sind gehäusefest. Steckkontakte 14 sind in Fig. 2 schematisch gezeigt. Die Spule 2 ist an einem Schwenkkörper gehalten, der über seitlich angeordnete Schwenkarme 12 bei Erschütterungen um die Achse 11 hin und her schwingt. Federelemente 13 für den rückfedernden Endanschlag sind in diesen Ausführungen an den die Spulen 2 umgreifenden Einfassungen der Schwenkkörper vorgesehen. Anstelle der Federelemente 13 oder auch zusätzlich können die Schwenkarme 12 selbst elastisch und beispielsweise als gebogene Blattfedern ausgebildet sein. Die Energieumsetzung ist gut, da die Spule 2 mit nur geringer Reibung schwenkbar gelagert ist, und dank der Schwenkbewegung der Luftspalt zwischen den Spulen 2 und den Permanentmagneten 5 minimiert ist, was die induzierte Spannung erhöht.

In der Ausführung nach Fig. 3 bis 5 ist der U- oder bügeiförmige Schwenkkörper an den seitlichen Schwenkarmen 12 jeweils mit einem gebogenen Führungsschlitz 15 versehen. Ein etwa U-förmiger Bügel (Fig. 5) weist zwei an der Schwenkachse 11 gelagerte Seitenschenkel 16 und eine diese verbindende Klemmplatte 22 auf. Eine im Seitenschenkel 16 vorgesehene Feststellschraube 17 durchsetzt den Führungsschlitz

15, sodass der Winkel zwischen dem Schwenkkörper und dem Seitenschenkel 16 über einen Bereich von beispielsweise 45° eingestellt werden kann, wodurch einerseits die Nullstellung der Spule 2 und anderseits auch die Nullstellung einer von der Klemmplatte 22 fixierten Blattfeder 21 einer veränderbaren Einrichtung 20 justiert werden kann. Die Blattfeder 21 ist an ihrem anderen Ende in einem Schlitz eines Haltebügels 23 lose gehalten, dessen Breite durch eine Schraube 25 verändert werden kann. Der Haltebügel 23 weist einen Längsschlitz 24 auf, der von einer weiteren Justierschraube 26 durchsetzt wird. Der Haltebügel 23 kann daher in Längsrichtung der Blattfeder 21 vorzugsweise stufenlos verstellt werden, wofür eine in Fig. 3 nicht gezeigte Stellschraube oder auch ein in Fig. 4 gezeigter elektrischer Stellmotor 30 verwendet werden kann. Für die Verstellung zwischen zwei Positionen kann auch ein anderes Stellglied, beispielsweise ein Elektromagnet verwendet werden. Der Stellmotor 30 bzw. das Stellglied kann mit der von der Vorrichtung erzeugten und insbesondere in einem Akkumulator od. dgl. gespeicherten Energie betrieben werden. Die Verstellung des Haltebügels 23 ändert den Abstand zwischen der Klemmplatte 22 und der Schraube 25, also die wirksame Länge der Blattfeder 21 und damit auch der Federeigenschaften, der Dämpfungseigenschaften usw.. Bei allen elastischen Elementen sind progressive Kennlinien möglich.

Die Ausführung nach Fig. 6 stellt im Wesentlichen eine Verdoppelung der Ausführung nach Fig. 2 dar, d.h. es sind zwei Einheiten, die jeweils aus einer an einem Schwenkkörper gehaltenen Induktionsspule 2 und zwei Paaren von Permanentmagneten 5 diametral zur Schwenkachse 11 angeordnet, die voneinander unabhängig in Schwingungen versetzt werden können.

Die verringerte Reibung des auf der Schwenkachse 11 schwingenden Teiles, der minimierte Luftspalt zwischen den Polflächen der beiden Permanentmagnete 5 und der dazwischen geführten Spule 2, sowie die Einstellbarkeit der Einrichtung 20 ermöglichen eine relativ hohe Energieausbeute dann, wenn eine Schwingung im Resonanzbereich möglich ist, und durch die Verstellung der Einrichtung 10 und die Beeinflussung der Energieabfuhr weitestgehend im Resonanzbereich gehalten werden kann.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm über den Spannungsverlauf, wobei eine Energie erzeugende Vorrichtung nach Fig. 3 auf einer Schüttelvorrichtung über einen Zeitraum von 20

Sekunden geschüttelt wurde. Die Stärke der Blattfeder 21 war 1 mm und ihre feste Länge, d.h. der Abstand zwischen der Klemmplatte 22 und der Schraube 25 im Schlitz des Haltebügels 23 betrug 55 mm. Die Schüttelvorrichtung vibrierte mit einer Frequenz von 8 Hz und der Hub betrug 9 mm . Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wurde die Spule 2 nach den ersten 2 Sekunden, in denen die Spannung U etwa 11 bis 12 V betrug, durch änderung der Federeigenschaften bzw. der Stromentnahme so beeinflusst, dass die Schwingung der Spule 2 in den Resonanzbereich anstieg. Dadurch schnellte die gemessene Spannung auf einen Wert von fast 30 V an. Nach etwa 10 Sekunden wurde die Resonanz händisch gestört, und die Spannung sank zuerst auf wenige Volt und stieg dann dank der gleichmäßigen Erregerschwingung der Schüttelvorrichtung wieder auf den Anfangswert von ca. 12 V. Ein nochmaliger Impuls nach etwa 17 Sekunden führte wieder zur Resonanzschwingung mit der hohen Spannung von ca. 30 V.

Fig. 8 zeigt die entsprechende Messkurve für die abnehmbare Leistung P in Watt. Auch hier bedeutet die überführung der Schwingung in den Resonanzbereich einen beträchtlichen Gewinn an Leistung, nämlich von etwa 0,2 W auf etwa 0,7 W.

Wenn die Erschütterungen eines sich fortbewegenden Körpers, beispielsweise eines Sportgerätes, etwa eines Schis oder dergleichen, für die Energieerzeugung herangezogen werden sollen, ist eine gleichmäßige Erregung und ein längerer Bestand der Resonanzschwingung unwahrscheinlich. Eine in den Figuren nicht gezeigte, so genannte intelligente Elektronik kann die Energieausbeute dadurch verbessern, dass die Eigenfrequenz des schwingenden Teiles ständig der momentanen Erregerfrequenz nachgeführt bzw. angepasst wird, die mittels mindestens eines Sensors erfasst wird, sodass nach Möglichkeit der Resonanzbereich nicht verlassen oder möglichst rasch wieder erreicht wird. Hiefür ist es auch wichtig, den Lastwiderstand, das heißt die

Stromabführung zu verkleinern, falls die Schwingung so gebremst wird, das sie aus dem Resonanzbereich zu fallen droht, sowie, die freie Federlänge der Blattfeder 21 zu ändern, um die Federsteifigkeit zu beeinflussen.

Die Resonanz, also die Schwingungsaufschaukelung, wenn die Erregerfrequenz sich an die Eigenfrequenz annähert, ist in vielen Fällen zu vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sie hingegen wünschenswert, da sie sie Energieausbeute um ein Vielfaches verbessert.