DE10147720A1

DE10147720A1 - Autarkes Energiegewinnungssystem

Info

Publication number: DE10147720A1
Application number: DE2001147720
Authority: DE
Inventors: Juergen Mrowka; Gunther Naumann; Hans-Christian Reuss; Wolfgang Vieweger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Bewegungsenergien mittels eines Induktionssystems, wobei das Induktionssystem Magnete, Induktionsspulen zum Abgreifen der induzierten Spannung und ein mechanisches Schwingsystem aufweist. Die Vorrichtung soll derart weitergebildet werden, dass direkte Kraft- oder Wegkopplung in dem Schwingsystem minimiert wird. Danach ist das mechanische Schwingsystem zu translatorischen mechanischen Schwingungen anregbar und das mechanische Schwingsystem weist eine Schwingmasse ohne direkte mechanische Krafteinkopplung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Bewegungsenergien mittels eines Induktionssystems.
Zur Steuerung und Regelung der Fahr- und Betriebsprozesse von bewegten Mitteln wie beispielsweise Kraftfahrzeugen werden in zunehmendem Maße Sensoren und Bordcomputer eingesetzt. Die elektronische Ausstattung der Fahrzeuge wird umfangreicher und komfortabler. Damit wird aber auch die Fertigung und die Instandhaltung aufwendiger. Dieser Aufwand kann verringert werden, wenn man den Verkabelungsaufwand minimiert. Ein Weg dazu ist der zunehmende Einsatz digitaler, serieller Bussysteme, wie z. B. des CAN-Busses. Andere Überlegungen gehen dahin, Sensoren oder elektrische Systeme selbst autark zu gestalten.
Bei einem autarken Sensor wird auf eine Verkabelung voll verzichtet. Der Sensor gewinnt seine elektrische Betriebsenergie aus dem Umfeld und die Messdaten gelangen beispielsweise über eine Telemetriestrecke zum Computer bzw. zu einem Kommunikationspunkt.
In der DE 198 57 433 A1 ist ein Lineargenerator offenbart, der eine magnetisierbaren Stator, der aus zwei über Luftspalte voneinander getrennten Teilen besteht und der einen Magnetfelderreger, eine Spule zum Abgreifen einer induzierten Spannung und einen bewegbaren magnetisierbaren Läufer aufweist, wobei die Bewegung des Läufers einen magnetischen Fluss im Stator beeinflusst. Das offenbarte Konstruktionsprinzip verhindert keine asymmetrischen Magnetkräfte infolge unterschiedlicher Luftspalten, die zu erheblichen Bewegungsreibungen führen. Zudem benötigt der Magnetfelderreger zusätzliche elektrische Energie.
In der DE 198 52 470 A1 ist ein elektrisches Energieerzeugungssystem offenbart, das unter Anwendung des elektromagnetischen Induktionsgesetzes mittels Magneten sowie Induktionsspulen in der Weise arbeitet, dass die magnetische Feldänderung durch eine Änderung der relativen Lage der Pole von Magneten und den Polen des Kerns von Induktionsspulen in einem mechanischen Schwingkreis erfolgt. Diese Lösung sieht eine direkte mechanische Krafteinkopplung in das Energiegewinnungssystem vor, welche konstruktiv sehr aufwendig ist. Zudem verhindert das offenbarte Konstruktionsprinzip keine asymmetrischen Magnetkräfte infolge unterschiedlicher Luftspalten, die zu erheblichen Bewegungsreibungen führen.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die eingangs beschriebene Vorrichtung derart weiterzubilden, dass direkte Kraft- oder Wegkopplung in dem Schwingsystem minimiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist das mechanische Schwingsystem zu translatorischen mechanischen Schwingungen anregbar und das mechanische Schwingsystem weist eine Schwingmasse ohne direkte mechanische Krafteinkopplung auf.
Durch den Einsatz des Schwingungssystems ohne Festpunkt bzw. ohne Verankerungspunkt ist keine direkte Kraft- oder Wegkopplung erforderlich. Damit ist eine autarke Arbeitsweise gewährleistet, die es gestattet, das System an beliebigen Stellen eines bewegten Mittels, beispielsweise eines Fahrzeuges, mit dem zu speisenden elektrischen Verbrauchers ohne externe bewegte Teile anzubringen.
Durch die Verwendung von nichtmagnetischen Führungszylindern für die schwingenden Massen können magnetflusshemmende Luftspalten minimiert und unsymmetrische Magnetkräfte, die einseitige mechanische Reibungen erzeugen, verhindert werden.
Durch die direkte Proportionalität zwischen Masse, kinetischer Energie und erzeugbarer elektrischer Energie kann die Abmessung und das Gewicht der Schwingmasse an den elektrischen Verbraucher leicht angepasst werden.
Da Federmittel mit unterschiedlichen Prinzipien wie mechanisch, magnetisch oder pneumatisch eingesetzt und auch kombiniert werden können, steht bei der Systemanpassung an einen Verbraucher eine Vielfalt verschiedener Kennlinien zur Abstimmung des Frequenzgangs und der Anschlagsdämpfung zur Verfügung. Dies vereinfacht die Gestaltung des Systems.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die untergeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier Ausführungsformen zu verweisen. Es sollen auch die vorteilhaften Ausgestaltungen einbezogen sein, die sich aus einer beliebigen Kombination der Unteransprüche ergeben. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der die Induktionsspulen Kerne aufweisen und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der Induktionsspulen ohne Kerne vorgesehen sind.
In den beiden Figuren, Fig. 1 und Fig. 2, sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In der Fig. 1 ist eine Anordnung abgebildet, welche Induktionsspulen mit einem Eisenkern aufweist. Die Fig. 2 beinhaltet eine Ausführungsform, in der das Induktionssystem mit Induktionsspulen ohne Kern aufgebaut ist. Die Anordnung in der Fig. 2 hat den Vorteil eines sehr einfachen Aufbaus; die Anordnung in Fig. 1 hat den Vorteil höhere nutzbare magnetische Flussdichten zur Energiegewinnung zuzulassen. Die Induktionssysteme bestehen aus den zwei Teilsystemen Schwingsystem und Spulenanordnung.
Die Anordnungen in Fig. 1 und Fig. 2 beinhalten ein mechanisches Schwingsystem ohne Festpunkt, welches aus einer Feder-Masse- Dämpfer-Anordnung 2, 4, 6, 7 besteht, die von außen z. B. durch Fahrzeugbewegungen zum Schwingen angeregt wird. Der Arbeitsbereich dieses Systems kann im gesamten Bereich des Frequenzganges genutzt werden, vorzugsweise jedoch in Bereichen oberhalb der Resonanzfrequenz.
Die Schwingmasse 4, 6 wird in einer Gleithülse 3 aus nichtmagnetischen Material geführt. Sie kann aber zusätzlich oder alternativ auf einer zentralen Achse geführt werden. Die Schwingmasse 4, 6 besteht je nach Ausführungsform aus einem permanentmagnetischen oder nichtmagnetischen Material mit hoher Massenichte 6 und/oder zusätzlichen Bauteilen aus Weicheisen 4. In der Anordnung gemäß Fig. 2 wird die Schwingmasse 6 aus permanentmagnetischem Material gebildet. Bei einer Anordnung nach Fig. 1 kann die Schwingmasse 4, 6 und/oder der Spulenkern 1 aus permanentmagnetische Material gebildet sein. Das Schwingverhalten wird durch in Bewegungsrichtung des Schwingkörpers 4, 6 wirkende mechanische 2, magnetische 2 oder pneumatische Federn beeinflusst. Dabei können unterschiedliche Federkennlinien realisiert werden, die bei progressiver Auslegung auch eine Anschlagsicherung bei starken Auslenkungen bewirken.
Die Spulenanordnung besteht aus mehreren Einzelspulen auf einem oder mehreren Wickelkörpern. Die Vorrichtung kann eine Induktionsspulenanordnung mit Spulenkern aus Eisen entsprechend Fig. 1 oder ohne Spulenkern entsprechend Fig. 2 enthalten. Durch die Bewegung des Schwingkörpers 4, 6 erfolgt eine magnetische Flussänderung in den Spulen 5, 8, 9 und es wird eine Spannung induziert.
Die Induktionsspulenanordnung mit Spulenkern entsprechend Fig. 1 verfügt über ein oder über mehrere Eisenjoch-Paare als Spulenkern 1 aus weichmagnetischem Material, die in unterschiedlichen Ebenen und/oder Richtungen an der Gleithülse 3 befestigt sein können. Der erforderliche magnetische Fluss wird durch permanentmagnetische Materialien im Schwingkörper 4, 6 oder in den Spulenkernen 1 gewährleistet. Bei Nutzung mehrerer Eisenjoch-Paare als Spulenkerne 1 erfolgt die Anordnung so, das der magnetische Rückschluss mit großer Änderung von einem Eisenjoch-Paar auf das andere Eisenjoch-Paar umspringen kann. Jedes Eisenjoch-Paar 1 trägt mindestens zwei Spulen (5). Die Anordnung der Spulen erfolgt so, dass sie wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können, um die gewünschten Werte für Spannung und Strom zu erhalten.
Die Induktionsspulenanordnung ohne Spulenkern entsprechend Fig. 2 trägt mindestens eine auf dem Zylinder 3 direkt aufgebrachte Spule 8, 9, durch die sich der magnetische Schwingkörper 4, 6 vollständig hindurchbewegen muss. Eine effektivere Anordnung ergibt sich durch zwei elektrisch voneinander getrennte Spulen 8, 9, die eine Verringerung der räumlichen Abmessungen zulässt.
Zur Erreichung hoher Flussdichten muss der Gleitzylinder 3 dünnwandig gehalten sein. Die Passung zwischen Gleitzylinder 3 und Schwingmasse 4, 6 ist so zu gestalten, dass Leichtgängigkeit und unter Umständen eine gewünschte Dämpfung gewährleistet werden kann.
Die Vorrichtung eignet sich vorzugsweise zur Energieversorgung autarker elektronischer Systeme in einem Kraftfahrzeug. So kann beispielsweise ein Sensor mittels dieses Systems autark mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Messdaten des Sensors können dann beispielsweise drahtlos oder über ein vorhandenes Bussystem an die entsprechenden Komponenten im Fahrzeug weitergeleitet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Bewegungsenergien mittels eines Induktionssystems, wobei das Induktionssystem
Magnete,
Induktionsspulen zum Abgreifen der induzierten Spannung und
ein mechanisches Schwingsystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
das mechanische Schwingsystem (2, 4, 6, 7) zu translatorischen mechanischen Schwingungen anregbar ist und
das mechanische Schwingsystem (2, 4, 6, 7) eine Schwingmasse (4, 6) ohne direkte mechanische Krafteinkopplung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (4, 6) zwischen einem ersten und zweiten Mittel (2, 7) zur Federung in einer Gleithülse (3) oder in einer Gleithülse (3) mit zentraler Achse geführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleithülse (3) oder die Gleithülse (3) mit zentraler Achse aus nicht-magnetischem Material bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Federung (2, 7) mechanisch und/oder magnetisch und/oder pneumatisch ausgeführt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Gleithülse (3) als Führungszylinder oder als
Führungszylinder mit zentrischer Führungssäule ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 3, 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (8, 9) unmittelbar an der Gleithülse (3) oder der zentralen Achse befestigt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (5) Spulenkerne (1) aufweisen und die Spulenkerne (1) unmittelbar auf der Gleithülse (3) oder auf der zentralen Achse befestigt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (5) Spulenkerne (1) aufweisen und diese in verschiedenen Ebenen an der Gleithülse (3) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse aus weichmagnetischem und/oder permanentmagnetischem Material gebildet ist.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung eines elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug.