DE102006024006A1

DE102006024006A1 - Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102006024006A1
Application number: DE102006024006A
Authority: DE
Inventors: Thomas Haas; Franz Hillenmayer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-11-29
Also published as: JP2007318989A; US20070267946A1; FR2901432A1

Abstract

Vorrichtung zum Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie mit einem ersten Bauteil (1, 5) und einem zweiten Bauteil (2), das mit dem ersten Bauteil (1) mechanisch verbunden ist, und einem mechanisch-elektrischen Energiewandler (3), wobei das zweite Bauteil (2) mittels einer bewegungsdämpfenden Vorrichtung (4) derart mit dem ersten Bauteil (1) verbunden ist, dass sich im bewegten Zustand mit einer Bewegungsrichtung (7, 8) das zweite Bauteil (2) relativ zum ersten Bauteil (1, 5) bewegt und der mechanisch-elektrische Energiewandler (3) von den angreifenden Kräften des ersten Bauteils (1, 5) und des zweiten Bauteils (2) mechanisch entkoppelt ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Reifendrucksysteme für Kraftfahrzeuge.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, das mit dem ersten Bauteil mechanisch verbunden ist und einem mechanischelektrischen Energiewandler, der mit dem zweiten Bauteil verbunden ist.
In der Fahrzeugindustrie werden mittels Messeinheiten, welche am Rad verbaut sind, physikalische Daten, wie z.B. der Reifendruck, gemessen. Diese Daten werden zur Überwachung des Sollzustands im Reifen verwendet. Die benötigte Energie für die Sensoren zur Überwachung der physikalischen Größen, sowie zur Übertragung von Messwerten, z.B. über Funk, wird typischerweise durch eine Batterie in der Messeinheit zur Verfügung gestellt. Die Lebensdauer von Batterien ist allerdings sehr stark von der Temperatur und der Häufigkeit der Sendeintervalle abhängig. Somit ist die Lebensdauer der Messeinheit primär von der Lebensdauer der Batterie abhängig.
Bekannt sind auch Möglichkeiten zum Energietransport vom Fahrzeug in den Reifen, wie dem induktiven Energietransport. Auch ist es möglich, eine Energie-Generierung im Reifen/Rad durchzuführen.
Aus der DE 3407254 A1 ist ein Biegebalken zur Energieumwandlung beschrieben, welcher längs eines Mittelpunktstrahls der Reifenfelge ausgerichtet ist, d.h. in Zentrifugalrichtung ausgerichtet ist. Aufgrund von Vibrationen/dynamischen Kraftänderungen verformt sich das Biegeelement, das eine materialbedingte Umwandlung in elektrische Energie zur Folge hat. Eine am freischwingenden Ende angebrachte Masse verstärkt die Auslenkung. Das hat nachteilig zur Folge, dass am Biegelement eine starke Vorspannung/Blastung anliegt, falls auf die angebrachte Masse eine Beschleunigung wirkt.
Aus der EP 1 043 577 A1 ist ein Reifendruchmesssystem mit einem Energiegenerator bekannt. Durch ein Piezoelement, das auf einer Feder montiert ist, werden mechanische Verformungen in elektrische Energie umgewandelt. Die Feder ist einseitig fest montiert und schwingt auf der anderen Seite frei, wobei eine zusätzlich befestigte Masse die Schwingung verstärkt.
Nachteilig ist hier ebenfalls die anliegende Vorspannung am Biegebalken, die durch die angebrachte Masse und einer Beschleunigung hervorgerufen wird. Dies kann zur Beschädigung des Biegebalkens führen.
Aus der JP 2004 032 929 A ist ebenfalls ein Energiegenerator basierend auf dem Piezoeffekt, der in einem Fahrzeugreifen angeordnet ist, bekannt. Die Biegelemente sind senkrecht zur Drehachse angeordnet, so dass eine beschleunigte Reifendrehung erforderlich ist, die zu einer Auslenkung des Piezoelementes führt und schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird.
Bei den bekannten Energie-Generierungsansätzen im Reifen/Rad wird auch nicht zwischen baulichen Schnittstellen-Verbindungen und Energiewandlungselementen/Systemen unterschieden. Beispielsweise wird das Piezoelement als Energiewandlungselement/System direkt mit der baulichen Schnittstellenverbindung zwischen einem festen und einem relativbeweglichen Bauteil, z.B. ein Biegebalken, verbunden.
Bei der Energie-Umwandlung im Rad/Reifen versucht man ausreichend mechanische Energie in elektrische Nutzenergie umzuwandeln, um ein bestehendes elektronisches Bauteil mit Energie zu versorgen. Mechanische Energie ist folgend definiert:

E_Mechanisch:: Mechanische Energie
F(x):: Kraft
dx:: Verformung durch F(x)
m:: Masse
a(x):: Beschleunigung

Einflussparameter zu Generierung der mechanischen Energie sind:

– Kraft F(x) (Kraft kann durch Erhöhen der Masse m oder/und eine Beschleunig a(x) realisiert werden)
– Verformung dx durch Kraftänderung (Einfluss von Feder/Dämpfungskonstanten)

Ziel des mechanischen Konzeptes soll sein, ausreichend mechanische Energie zu erhalten, welche durch unterschiedliche Ansätze in elektrische Energie umgewandelt werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Umwandlung einer mechanischen Verformungsenergie in eine elektrische Nutzenergie bereitzustellen, mit der eine verbesserte Ausbeute bei der Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie umfasst ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, das mit dem ersten Bauteil mechanisch verbunden ist und einen mechanisch-elektrischen Energiewandler, wobei das zweite Bauteil mittels einer bewegungsdämpfenden Vorrichtung derart mit dem ersten Bauteil verbunden ist, dass sich im bewegten Zustand mit einer Bewegungsrichtung das zweite Bauteil relativ zum ersten Bauteil bewegt und der mechanisch-elektrische Energiewandler von den angreifenden Kräften des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils mechanisch entkoppelt ist.
Bei der baulichen Ausführung ist das Grundprinzip zur Erzeugung mechanischer Energie eine Relativbewegung zwischen einem fixen Bauteil und einem relativ-beweglichen Bauteil, so dass ein mechanisch-elektrischer Energiewandler entkoppelt werden kann. Dadurch kann eine Optimierung der Relativbewegung und eine Optimierung der Energiewandlung getrennt betrachtet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die bewegungsdämpfende Vorrichtung wenigstens ein Element, wie z.B. eine Blattfeder, eine Spiralfeder, einen Seilzug, ein Kugellager oder dergleichen, welches einen Pendelarm oder einen Verlauf einer Bahnkurve darstellt, oder eine Relativbewegung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil realisiert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die bewegungsdämpfende Vorrichtung wenigstens ein Element, welches einen Verlauf einer Bahnkurve darstellt oder eine Relativbewegung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil realisiert
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mechanisch-elektrische Energiewandler ein piezo-keramisches Material.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der mechanisch-elektrische Energiewandler einen induktiven Wandler oder einen kapazitiven Wandler.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an dem mechanisch-elektrischen Energiewandler eine zusätzliche Masse befestigt.
Bei den Arten der Energie-Umwandlung benötigt man immer eine Relativbewegung zweier Komponenten und/oder eine Verformung eines Materials durch z.B. eine Kraft- und/oder Beschleunigungs- Änderung.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Bauteil oder das zweite Bauteil jeweils als Leiterplatte, als Gehäuse, als Antenne oder als ein anderes in einer vorhandenen Messeinrichtung bereits eingesetztes Bauteil ausgeführt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
Darin zeigen schematisch:
1 eine Vorrichtung zur Energieumwandlung;
2 eine Entkopplungsvorrichtung für laterale Bewegungen bei kleiner Auslenkung;
3 eine Entkopplungsvorrichtung für laterale und vertikale Bewegungen bei kleiner Auslenkung;
4 eine Entkopplungsvorrichtung mit einer Seilverbindung;
5 eine Entkopplungsvorrichtung für laterale Bewegungen mit Lagern bei kleiner Auslenkung; und
6 eine Vorrichtung mit einer verformbaren Leiterplatte.
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Energieumwandlung, wie sie beispielsweise in einem Reifendruckmesssystem eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Die Vorrichtung besteht aus einem fest montierten Bauteil 1, einem beweglichen Bauteil 2 und einem mechanisch-elektrischen Energiewandler 3. Das fest montierten Bauteil 1 und das bewegliche Bauteil 2 sind durch eine bewegunsdämpfende Vorrichtung 4 verbunden. Die Vorrichtung bewegt sich typischerweise in die gekennzeichneten Richtungen 6, 7. Die bewegunsdämpfende Vorrichtung 4 besteht beispielsweise aus zwei mit ihren jeweiligen Enden zwischen dem fest montierten Bauteil 1 und dem beweglichen Bauteil 2 eingespannten Blattfedern. Der mechanisch-elektrische Energiewandler 3 kann als piezo-keramischer, als kapazitiver oder als induktiver Energiewandler ausgebildet sein. Dabei könnte der piezo-keramische Energiewandler 3 in unterschiedlichen Formen, wie z.B. als reiner Keramikbalken, als Bimorph- und/oder als Metall/Keramik-Bimorph-Balken realisiert werden, der die Relativbewegung als Verformung aufnimmt. An dem mechanischelektrischen Energiewandler ist zusätzlich eine Masse 5 befestigt, welche für eine Vorspannung am mechanischelektrischen Energiewandler 3 sorgt und mit dem fest montierten ersten Bauteil 1, 5 starr verbunden sein kann. Des Weiteren könnte ein kapazitiver und/oder induktiver mechanischelektrischer Energiewandler 3 verwendet werden. Bei einem kapazitiven Wandler würde die Relativbewegung eine Ladungsverschiebung zwischen den Platten und beim induktiven Wandler eine Änderung der magnetischen Flussdichte hervorrufen.
Bei der Energiewandlung ist die elektrische Dämpfung des Energiewandlungs-Materials/Verbundes bzw. Energiewandlungsystems die wichtigste Eigenschaft. Um aber eine bestmögliche Relativbewegung und somit eine hohe mechanische Energie zu generieren, welche durch die bauliche Schnittstellenverbindung realisiert wird, muss das komplette System schwingfähig ausgelegt werden. Dabei besitzt die Federsteifigkeit/Schwingfähigkeit enormen Einfluss. Durch die Entkopplung können die Parameter Federsteifigkeit/Schwingfähigkeit und Dämpfung des Gesamtsystems separat von einander optimiert/ausgelegt werden. Das führt zu einer optimalen Federsteifigkeit/Schwingfähigkeit der baulichen Schnittstellenverbindung und es wird eine optimale Relativbewegung und eine optimale Dämpfung des mechanisch-elektrischen Energiewandlers zur Energiegewinnung bei relativ geringem Quereinfluss erreicht.
Zusätzlich wird durch die Entkopplung das Energiewandlungssystem geringst-möglich belastet, da die komplette schwingbare Masse und somit die Gesamtkraft über die bauliche Schnittstellenverbindung aufgenommen wird. Das Energiewandlungssystem wird nur durch die Kraft, resultierend aus dessen Eigengewicht und Beschleunigung belastet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Bauteil 1, das zweite Bauteil 2 oder die zusätzliche Masse 5 jeweils als Leiterplatte, als Gehäuse, als Antenne oder als ein anderes in einer vorhandenen Messeinrichtung bereits eingesetztes Bauteil ausgeführt.
Dabei sollen die Bauteile bisherige Aufgaben weiterhin wahrnehmen und zusätzlich Mehrfunktionen besitzen. Beispielsweise kann die "schwingbare" Masse durch eine Leiterplatte realisiert werden, auf welcher die Bauteile der Messeinheit angeordnet sind. Des Weiteren könnte der Biegebalken als Zusatzfunktionen die Verbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte sein und die Dämpfung verbessern. Ein weiteres Beispiel könnte sein, dass die feste Einspannung des Biegebalkens die Funktion "Gehäuse" besitzt und somit vor äußeren Einflüssen schützt.
Vorteile bei der Verwendung eines integrierten Generator-Systems:

– keine zusätzliche schwingfähige Masse notwendig
– Gewichtsreduzierung der Messeinheit im Rad/Reifen (geringere ungefederte Masse)
– kompaktere Bauweise
– Zusätzliche mech. Entlastung von einigen Komponenten der Messeinheit (wie z.B.: geringere Beschädigungswahrscheinlichkeit der HW-Komponenten)

2 zeigt eine Entkopplungsvorrichtung für laterale Bewegungen bei kleiner Auslenkung. Ein fest montiertes Bauteil 22 ist mit einem beweglichen Bauteil 21 über eine bewegungsdämpfende Vorrichtung 23, z.B. Blattfedern, verbunden. Das hat zur Folge, dass sich das bewegliche Bauteil 21 in einer lateralen Relativbewegung 24 bei kleiner Auslenkung zum fest montierten Bauteil 22 bewegt.
3 zeigt eine Entkopplungsvorrichtung für laterale und vertikale Bewegungen bei kleiner Auslenkung. Ein fest montiertes Bauteil 32 ist mit einem beweglichen Bauteil 31 über bewegungsdämpfende Vorrichtungen 33, 34, z.B. Spiralfedern, verbunden. Das hat zur Folge, dass sich das bewegliche Bauteil 31 bei kleiner Auslenkung in lateralen und vertikalen Relativbewegungen 35 zum fest montierten Bauteil 32 bewegt. Als bewegungsdämpfende Vorrichtungen 33, 34 kommen auch verformbare Kunststoffelemente in Frage.
4 zeigt eine Entkopplungsvorrichtung mit einer Seilverbindung. Dabei ist ein bewegliches Bauteil 41 mit einem festen Bauteil 42 über ein Seil 43 verbunden. Das bewegliche Bauteil 41 ist im Betrieb in einer vertikalen Richtung 45 vorgespannt, so dass bei einer Bewegung das Seil 43 zusätzlich als Fixierung hinsichtlich der Auslenkung wirkt. Das bewegliche Bauteil 41 bewegt sich somit in einer Relativbewegung 44 zu dem fest montierten Bauteil 42, ohne den nachteiligen Einfluss einer Federsteifigkeit des Bauteils 43, die die Schwingung dämpft.
5 zeigt eine Entkopplungsvorrichtung für laterale Bewegungen mit Lagern. Ein fest montiertes Bauteil 52 ist mit einem beweglichen Bauteil 51 über eine bewegungsdämpfende Vorrichtung 53, z.B. Loslager-Festlager-Kombination, verbunden. Das hat zur Folge, dass sich das bewegliche Bauteil 51 in ei ner lateralen Relativbewegung 54 bei kleiner Auslenkung zum fest montierten Bauteil 52 bewegt.
6 zeigt eine Vorrichtung mit einer verformbaren Leiterplatte. Dabei ist eine Leiterplatte 61 in unausgelenktem Zustand und in ausgelenktem verformten Zustand dargestellt. Die verformbare Leiterplatte 61 ist beidseitig an gegenüberliegenden Endbereichen befestigt.
Die Erfindung und die beschriebenen Ausgestaltungen führen zu folgenden Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, speziell im Vergleich zu batteriebetriebenen Messsystemen:

– keine Lebensdauer-Einbußen durch Temperatureinfluss
– erhöhte Lebensdauer
– keine zusätzliche schwingfähige Masse notwendig
– Gewichtsreduzierung der Messeinheit im Rad/Reifen (geringere ungefederte Masse)
– kompaktere Bauweise
– Zusätzliche mech. Entlastung von einigen Komponenten der Messeinheit (wie z.B. geringere Beschädigungswahrscheinlichkeit der Hardware-Komponenten)
– Nutzbar für weitere Produkte, wie z.B. Zugangskontrollsysteme für Kraftfahrzeuge

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Reifendrucksystem für Kraftfahrzeuge.

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Nutzenergie mit einem ersten Bauteil (1, 5) und einem zweiten Bauteil (2), das mit dem ersten Bauteil (1) mechanisch verbunden ist und einem mechanischelektrischen Energiewandler (3), dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) mittels einer bewegungsdämpfenden Vorrichtung (4) derart mit dem ersten Bauteil (1,5) verbunden ist, dass sich im bewegten Zustand mit einer Bewegungsrichtung (7, 8) das zweite Bauteil (2) relativ zum ersten Bauteil (1, 5) bewegt und der mechanisch-elektrische Energiewandler (3) von den angreifenden Kräften des ersten Bauteils (1, 5) und des zweiten Bauteils (2) mechanisch entkoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungsdämpfende Vorrichtung (4, 23, 33, 34, 43, 53) wenigstens ein Element umfasst, das einen Pendelarm darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungsdämpfende Vorrichtung (4, 23, 33, 34, 43, 53) wenigstens ein Element umfasst, welches einen Verlauf einer Bahnkurve darstellt oder eine Relativbewegung zwischen dem ersten Bauteil (1,5) und dem zweiten Bauteil (2) realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Energiewandler (4) ein piezo-keramisches Material umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Energiewandler (4) einen induktiven Wandler umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanisch-elektrische Energiewandler (4) einen kapazitiven Wandler umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mechanischelektrischen Energiewandler (4) eine zusätzliche Masse (5) befestigt ist, welche mit dem ersten Bauteil (1) verbunden sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1), das zweite Bauteil (2) oder die zusätzliche Masse (5) jeweils als Leiterplatte, als Gehäuse, als Antenne oder als ein anderes in einer vorhandenen Messeinrichtung bereits eingesetztes Bauteil ausgeführt ist.