DE102012212028A1

DE102012212028A1 - Electromagnetic energy converter for producing energy in generator, has to-be-monitored ferromagnetic portion to change reluctance in generated magnetic field based on distance between ferromagnetic portion and permanent magnet

Info

Publication number: DE102012212028A1
Application number: DE201210212028
Authority: DE
Inventors: Shankar Ravindran; Giovanni Biancuzzi; Martin Wischke; Peter Woias
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-01-16

Abstract

The energy converter (100) has a permanent magnet (106) for generating magnetic field, and a power generation unit that is connected with the permanent magnet. A to-be-monitored ferromagnetic portion changes reluctance in the magnetic field that is generated by the permanent magnet based on the distance between the mobile ferromagnetic portion and the permanent magnet. The power generation unit is configured to generate electrical energy in response to the degradation of the reluctance. An independent claim is included for a state monitoring system.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Energiewandler zum Erzeugen von Energie in Abhängigkeit von einem zu überwachenden beweglichen ferromagnetischen Teil. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Generator, der nach dem Prinzip der geschalteten Reluktanz funktioniert. Derartige Generatoren sind insbesondere im Zusammenhang mit Funksensorknoten und Systemen zur Zustandsüberwachung von Bedeutung. The present invention relates to an electromagnetic energy converter for generating energy in response to a movable ferromagnetic member to be monitored. In particular, the present invention relates to a generator which operates on the principle of switched reluctance. Such generators are of particular importance in connection with radio sensor nodes and condition monitoring systems.

Die Verkehrsinfrastruktur ist für die moderne Gesellschaft von wesentlicher Bedeutung und zum Teil vergleichsweise störanfällig, insbesondere Brücken und Tunnels sind starken Beeinträchtigungen durch Umwelteinflüsse ausgesetzt. Es existieren daher diverse Zustandsüberwachungssysteme (so genannte Structural Health Monitoring, SHM, Systeme) sowie Verkehrsbeobachtungssysteme, die für den sicheren Betrieb der Infrastruktur von essentieller Bedeutung sind. The transport infrastructure is of essential importance for modern society and in some cases relatively susceptible to disturbances, in particular bridges and tunnels are subject to severe adverse effects due to environmental factors. There are therefore various condition monitoring systems (so-called Structural Health Monitoring, SHM, systems) as well as traffic monitoring systems, which are essential for the safe operation of the infrastructure.

Für alle vor Ort funktionierenden Überwachungssysteme besteht die wesentliche Grundvoraussetzung in einem hocheffizienten Netzwerk kompakter Sensorknoten. Fortschritte in der Entwicklung elektronischer Komponenten sowie der drahtlosen Kommunikation haben zu einer weitgehenden Miniaturisierung von Messwandlern und Sensoren geführt. Daher können Sensorknoten heutzutage bereits an abgelegenen und schwer zugänglichen Orten installiert werden oder aber – je nach Anwendungsgebiet – in entsprechenden Strukturen unmittelbar eingebettet werden. For all on-site monitoring systems, the essential prerequisite is a highly efficient network of compact sensor nodes. Advances in the development of electronic components as well as wireless communication have led to extensive miniaturization of transducers and sensors. Therefore, sensor nodes can nowadays already be installed in remote and hard to reach places or - depending on the field of application - be directly embedded in corresponding structures.

Eine drahtgebundene Energieversorgung ist aber für derartige Anwendungen zum einen aufgrund der Einbaukosten und zum anderen aufgrund der Komplexität nicht geeignet. Auch Batterien stellen üblicherweise keine zufriedenstellende Lösung dar, da sie in regelmäßigen Intervallen ausgetauscht werden müssen. Um diese Nachteile von drahtgebundenen oder speicherbasierten Leistungsversorgungssystemen zu überwinden, wurden bislang diverse alternative Strategien verfolgt. However, a wired power supply is not suitable for such applications on the one hand because of the installation costs and on the other hand because of the complexity. Even batteries are usually not a satisfactory solution, since they need to be replaced at regular intervals. To overcome these shortcomings of wired or memory-based power supply systems, various alternative strategies have hitherto been pursued.

Ein besonders vielversprechendes Konzept besteht dabei darin, Energie aus der Umgebung des Sensorknotens in die benötigte elektrische Energie umzuwandeln. Auf diese Weise kann die Lebensdauer von batteriebetriebenen Sensorknoten erhöht werden oder es kann auf Batterien überhaupt ganz verzichtet werden. Auf diese Weise können Geräte entwickelt werden, die vollständig energieautark sind. A particularly promising concept is to convert energy from the environment of the sensor node into the required electrical energy. In this way, the life of battery-powered sensor nodes can be increased or it can be completely dispensed with batteries. In this way devices can be developed that are completely energy self-sufficient.

Übliche Quellen für ein derartiges „energy harvesting“, also für ein Abgreifen von Umgebungsenergie, sind Vibrationen, Temperaturgradienten und elektromagnetische Strahlung. Bekannte Wandler basieren dabei auf piezoelektrischer, thermoelektrischer oder elektromagnetischer Energiewandlung. Insbesondere die elektromagnetischen Generatoren haben sich als besonders zuverlässig in rauer Umgebung erwiesen. Usual sources for such "energy harvesting", ie for picking up ambient energy, are vibrations, temperature gradients and electromagnetic radiation. Known converters are based on piezoelectric, thermoelectric or electromagnetic energy conversion. In particular, the electromagnetic generators have proven to be particularly reliable in harsh environments.

Für miniaturisierte autark arbeitende Funkschalter sind elektromagnetische Energiewandler bekannt, die durch die mechanische Betätigung des Schalters Energie zur Verfügung stellen, um kurzzeitig ein Funksignal zu erzeugen. Mittels dieses Funksignals kann über einen zugeordneten Empfänger ein an den Empfänger angeschlossener Verbraucher drahtlos angesteuert werden. Dimmer und Jalousiesteuerungen können beispielsweise durch Schaltzustandsauswertungen am Empfänger realisiert werden. Ein Beispiel für einen in einem solchen miniaturisierten Funkschalter eingesetzten elektromagnetischen Energiewandler ist in der DE 103 15 764 B4 gezeigt. Dabei befindet sich in einem Magnetkreis aus weichmagnetischem Material ein Permanentmagnet. Der magnetische Kreis ist so gestaltet, dass eine Betätigung eines integrierten beweglichen Teils zum Öffnen oder Schließen des Magnetkreises durch eine Feder oder ein anderes bewegliches magnetisch leitendes Bauteil führt. For miniaturized self-sufficient wireless switches electromagnetic energy converters are known that provide energy through the mechanical actuation of the switch to briefly generate a radio signal. By means of this radio signal, a consumer connected to the receiver can be wirelessly controlled via an associated receiver. Dimmer and blind controls can be realized, for example, by switching state evaluations on the receiver. An example of an electromagnetic energy converter used in such a miniaturized radio switch is in the DE 103 15 764 B4 shown. In this case, a permanent magnet is located in a magnetic circuit of soft magnetic material. The magnetic circuit is designed so that an operation of an integrated movable member for opening or closing the magnetic circuit by a spring or other movable magnetic conductive component leads.

Die Änderung der magnetischen Reluktanz des magnetischen Kreises führt zu einer Änderung des von einer Spule umschlossenen Magnetflusses. Diese Änderung wiederum führt zur Induktion einer Spannung, die an Anschlussdrähten entnommen und zur kurzzeitigen Versorgung einer Funkelektronik eingesetzt wird. Der hier gezeigte, in einem Schalter integrierte, elektromagnetische Energiewandler hat außerdem ein Federelement, welches eine Rückstellkraft zum Zurückschnappen der Anordnung in den Ausgangszustand ermöglicht. Auf diese Weise wird ein Tastschalter bereitgestellt, der beim Drücken wie auch beim Loslassen Energie wandelt. The change in the magnetic reluctance of the magnetic circuit leads to a change in the magnetic flux enclosed by a coil. This change in turn leads to the induction of a voltage, which is taken from connecting wires and used for short-term supply of a radio electronics. The here shown, integrated in a switch, electromagnetic energy converter also has a spring element which allows a restoring force for snapping back the arrangement in the initial state. In this way, a push-button switch is provided, which converts energy when pressed as well as when released.

Allerdings erlaubt diese Anordnung keine berührungslose Aktuierung des eigentlichen Wandlers von außen, sondern erfordert die mechanische Einwirkung eines Bedieners über den Tastschalter. However, this arrangement does not allow contactless actuation of the actual transducer from the outside, but requires the mechanical action of an operator on the push button.

Weiterhin ist in der US 5,151,695 ein telemetrisches Messgerät zum Messen physikalischer Zustände einer Maschine mit sich periodisch bewegenden Teilen offenbart. Diese bekannte Vorrichtung erzeugt die erforderliche Leistung mit einem Generator, der die periodische Bewegung der Maschine dazu verwendet, einen Kolben in einer Spule zu bewegen, und dadurch einen Magnetkreis zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise wird ein ständiger Wechselstrom generiert. Dieser Strom versorgt einen Sender, der das Signal einer Vielzahl von Sensoren empfängt, mit Leistung, so dass von dem Sender ein entsprechendes Funksignal in Abhängigkeit von den gemessenen Zustandsgrößen erzeugt werden kann. Dabei werden Trägheitskräfte genutzt, um einen in dem Generator angeordneten Kolben in Bewegung zu versetzen. Furthermore, in the US 5,151,695 discloses a telemetric measuring device for measuring physical states of a machine with periodically moving parts. This known device generates the required power with a generator that uses the periodic motion of the machine to move a piston in a coil, thereby opening and closing a magnetic circuit. In this way, a constant alternating current is generated. This power supplies power to a transmitter which receives the signal from a plurality of sensors, so that a corresponding radio signal can be generated by the transmitter in dependence on the measured state variables. This inertial forces are used to move a piston arranged in the generator in motion.

Weiterhin zeigt die DE 100 15 765 B4 einen elektromagnetischen Energiewandler mit zumindest jeweils einem Permanentmagneten und einem relativ dazu beweglichen Element, das von einer elektrischen Spule zumindest teilweise umschlossen ist, bei dem in einer ersten Ruhelage des beweglichen Elements ein magnetischer Fluss durch das bewegliche Element geschlossen ist und eine Bewegung des beweglichen Elements in eine zweite Ruhelage die Umkehrung des magnetischen Flusses in dem beweglichen Element bewirkt. Die magnetischen Nord- und Südpole des Permanentmagneten befinden sich jeweils an den Enden des beweglichen Elements und es sind Anschläge für das bewegliche Element vorgesehen. Furthermore, the shows DE 100 15 765 B4 an electromagnetic energy converter having at least one respective permanent magnet and a relatively movable element, which is at least partially enclosed by an electrical coil, wherein in a first rest position of the movable element, a magnetic flux is closed by the movable member and a movement of the movable element in a second rest position causes the reversal of the magnetic flux in the movable element. The magnetic north and south poles of the permanent magnet are located respectively at the ends of the movable member and there are provided stops for the movable member.

Allerdings wird auch hier durch manuell durchgeführte Betätigung eine mechanische Bewegung erzeugt und innerhalb des Generators ein zum Generator gehöriges bewegliches Element betätigt. However, a mechanical movement is also generated here by manually performed operation and operated within the generator belonging to the generator movable element.

Dem gegenüber besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, einen elektromagnetischen Energiewandler anzugeben, der mit möglichst wenig Zwischenschritten und auf möglichst einfache Art und Weise Energie aus einem beweglichen zu überwachenden Objekt gewinnt. In contrast, there is the object underlying the present invention to provide an electromagnetic energy converter, which wins with as few intermediate steps and in the simplest possible way energy from a mobile object to be monitored.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the subject invention are specified in the dependent claims.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, das zu überwachende Teil kurzzeitig mit in den magnetischen Kreis des elektromagnetischen Energiewandlers aufzunehmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können hierzu sowohl Induktionsspulen wie auch ein schwingender Kragbalken zur eigentlichen Energieerzeugung verwendet werden. Der jeweils benötigte magnetische Fluss wird durch einen Permanentmagneten erzeugt. In this case, the present invention is based on the idea of briefly including the part to be monitored in the magnetic circuit of the electromagnetic energy converter. According to the present invention, both induction coils and a swinging cantilever can be used for the actual generation of energy. The required magnetic flux is generated by a permanent magnet.

Insbesondere besitzt der elektromagnetische Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung ein Joch zum Führen des durch den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses, wobei das Joch nur einen Teil eines magnetischen Kreises bildet und der magnetische Kreis einen Luftspalt aufweist. Der Luftspalt ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass der magnetische Kreis durch das zu überwachende bewegliche ferromagnetische Teil geschlossen wird. In particular, the electromagnetic energy converter according to the present invention has a yoke for guiding the magnetic flux generated by the permanent magnet, the yoke forming only a part of a magnetic circuit and the magnetic circuit having an air gap. The air gap is arranged according to the invention so that the magnetic circuit is closed by the movable ferromagnetic part to be monitored.

Das heißt, der Wandler basiert auf dem Prinzip der geschalteten Reluktanz, bei dem in einem Magnetkreis die Reluktanz wechselnd erhöht und erniedrigt wird, um eine elektromotorische Kraft (electromotive force, EMF) in einer Spule zu induzieren, die Teil des magnetischen Kreises ist. That is, the converter is based on the principle of switched reluctance in which in a magnetic circuit the reluctance is alternately increased and decreased to induce an electromotive force (EMF) in a coil which is part of the magnetic circuit.

Analog zu bekannten Anordnungen ist der magnetische Kreis an mindestens einer Stelle unterbrochen und wird durch das bewegliche Teil soweit geschlossen, dass ein entsprechender Stromfluss in der Spule induziert wird. Analogous to known arrangements, the magnetic circuit is interrupted at at least one point and is closed by the movable part so far that a corresponding current flow is induced in the coil.

Im Unterschied zu den bekannten Prinzipien, wie sie beispielsweise bei dem Funkschalter eingesetzt werden, ist das ferromagnetische Objekt, das mit seiner Bewegung für eine Änderung der Reluktanz sorgt, nicht Teil des eigentlichen Generators. Dies erst ermöglicht den Einsatz eines derartigen elektromagnetischen Energiewandlers in Systemen zur Zustandsüberwachung, die in rauen Umgebungsbedingungen angeordnet sind. Die bekannten Systeme sind nämlich für den Einsatz in solchen Anwendungsgebieten nicht geeignet, weil das bewegliche Teil aufgrund von mangelnder Robustheit die nötige Zuverlässigkeit beeinträchtigt. In contrast to the known principles, as used for example in the radio switch, the ferromagnetic object, which provides with its movement for a change in the reluctance, not part of the actual generator. This first enables the use of such an electromagnetic energy converter in condition monitoring systems which are arranged in harsh environmental conditions. Namely, the known systems are not suitable for use in such application areas, because the movable part impairs the necessary reliability due to lack of robustness.

Dem gegenüber besitzt die erfindungsgemäße Anordnung in sich selbst kein bewegliches Teil, sondern verwendet ein ferromagnetisches Objekt, das unmittelbar mit der zu überwachenden Aufgabe korreliert ist, zur Veränderung der Reluktanz des Magnetkreises. Ein solches Design kann überall dort eingesetzt werden wo bestimmte zu überwachende Teile lineare Bewegungen, Pendelbewegungen oder Drehbewegungen ausführen. All diese Bewegungen können unmittelbar dazu eingesetzt werden, um den magnetischen Pfad zu schließen und wieder zu öffnen und dadurch die Reluktanz des Magnetkreises zu schalten. In contrast, the arrangement according to the invention has no moving part in itself, but uses a ferromagnetic object, which is correlated directly with the task to be monitored, to change the reluctance of the magnetic circuit. Such a design can be used wherever certain parts to be monitored are linear, pendulum or rotary To run. All of these movements can be used directly to close and reopen the magnetic path, thereby switching the reluctance of the magnetic circuit.

Entsprechend kann die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise für Türschlösser, Türüberwachungssysteme, Fenster, Räder (auch mit Speichen), Transportbänder und Objekte, die darauf angeordnet sind, Schienenfahrzeuge und auf Schienen bewegliche Objekte und dergleichen. Accordingly, the present invention may be used in conjunction with a variety of applications, such as door locks, door monitoring systems, windows, wheels (including spokes), conveyor belts, and objects disposed thereon, rail vehicles and rail-mounted objects, and the like.

Wesentlich ist nur, dass das bewegte Objekt zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Material besteht. It is only essential that the moving object at least partially consists of a ferromagnetic material.

Wenn der magnetische Kreis geöffnet ist und damit eine hohe Reluktanz hat, tritt der größte Teil des magnetischen Flusses, der durch den Permanentmagneten erzeugt wird, nach außen in die Umgebung und koppelt nur minimal in die Spule ein. Wenn dagegen ein ferromagnetisches Objekt in den magnetischen Kreis eingefügt wird und dadurch den Luftspalt reduziert, wird der magnetische Fluss idealerweise so geführt, dass der magnetische Kreis durch den Pfad mit niedriger Reluktanz geschlossen ist, der durch das eingeführte ferromagnetische Objekt zustande kommt. Der erfindungsgemäße Pfad mit niedriger Reluktanz ist so geformt, dass dann der größte Teil des magnetischen Flusses in die Spule einkoppelt. When the magnetic circuit is open and thus has a high reluctance, most of the magnetic flux generated by the permanent magnet exits the environment and couples only minimally to the coil. In contrast, when a ferromagnetic object is inserted into the magnetic circuit and thereby reduces the air gap, the magnetic flux is ideally conducted so that the magnetic circuit is closed by the low reluctance path established by the inserted ferromagnetic object. The low reluctance path of the invention is shaped so that most of the magnetic flux couples into the coil.

Das heißt, der magnetische Fluss, der mit der Spule gekoppelt ist, wechselt zwischen einem sehr geringen Niveau bei hoher Reluktanz und einem maximalen Niveau bei niedriger Reluktanz. Die Magnetflussänderung innerhalb der Spule wiederum induziert gemäß dem Faraday-Gesetz eine elektromotorische Kraft in ihren Windungen und aufgrund des geringen elektrischen Widerstands der Spule kann ein messbarer Strom an eine Last, die mit der Spule verbunden ist, abgegeben werden. Die Menge der erzeugten Energie ist für eine Energy-Harvesting-Anwendungen, wie beispielsweise die Versorgung eines Funksenders, ausreichend. That is, the magnetic flux coupled to the coil alternates between a very low level at high reluctance and a maximum level at low reluctance. The magnetic flux change within the coil, in turn, induces electromotive force in its windings in accordance with the Faraday law, and due to the low electrical resistance of the coil, a measurable current can be delivered to a load connected to the coil. The amount of energy generated is sufficient for energy harvesting applications, such as the supply of a radio transmitter.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können auch feststehende Teile der zu überwachenden Umgebung zum Führen des magnetischen Flusses mit verwendet werden. Beispielsweise kann bei Installation des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiewandlers an einer Eisenbahnschiene die Schiene selbst mit in den Magnetkreis einbezogen werden und das jeweils an der Position des Wandlers befindliche Rad eines Zuges das bewegliche Teil bilden, welches die Reluktanz des Magnetkreises verändert. According to the present invention, fixed parts of the environment to be monitored can also be used to guide the magnetic flux. For example, when installing the electromagnetic energy converter according to the invention on a railroad track, the rail itself can be included in the magnetic circuit and the wheel of a train located at the position of the transducer form the movable part which changes the reluctance of the magnetic circuit.

Da diese Konfiguration aber vergleichsweise störempfindlich ist, kann gemäß einer alternativen Ausführungsform der magnetische Kreis mit Ausnahme des Luftspaltes auch vollständig durch das Joch gebildet werden, welches Teil des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers ist. Sieht man beispielsweise einen Aufbau mit zwei Schenkeln vor, die an einer Seite fest miteinander verbunden und an der gegenüberliegenden Seite durch das zu überwachende bewegliche Teil verbindbar sind, kann ein vergleichsweise störsicherer Aufbau erreicht werden. However, since this configuration is comparatively susceptible to interference, according to an alternative embodiment, the magnetic circuit with the exception of the air gap can also be formed entirely by the yoke, which is part of the electromagnetic transducer according to the invention. If one looks, for example, a construction with two legs, which are firmly connected to each other on one side and connectable to the opposite side by the movable part to be monitored, a comparatively interference-proof design can be achieved.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Anordnung kann an jedem der beiden Schenkel eine Spulenwicklung angeordnet sein, so dass der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Dadurch, dass keine weiteren Konstruktionsteile der zu überwachenden Umgebung in den Magnetkreis einbezogen werden müssen, ist außerdem der Einbau des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiewandlers wesentlich vereinfacht. According to an advantageous development of this arrangement, a coil winding can be arranged on each of the two legs, so that the efficiency can be increased. The fact that no further structural parts of the environment to be monitored must be included in the magnetic circuit, also the installation of the electromagnetic energy converter according to the invention is substantially simplified.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anstelle der Induktionsspule ein schwingender piezoelektrischer Generator für die eigentliche Energieerzeugung verwendet, wie er in dem Artikel Pozzi, M., Zhu, M.: „Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: Modelling and experimental validation“, in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper number 055007 , gezeigt ist. Dabei wird aber im Unterschied zu dem dort gezeigten Energiewandler erfindungsgemäß an dem Ende des Kragbalkens ein Permanentmagnet angebracht, der mit dem beweglichen Teil zusammenwirkt, so dass der Kragbalken beim Annähern des ferromagnetischen beweglichen Teils aus seiner Ruhelage ausgelenkt und dadurch zur Schwingung in seiner Eigenfrequenz angeregt wird. According to an alternative embodiment of the present invention, instead of the induction coil, a vibrating piezoelectric generator is used for the actual energy generation, as in the article Pozzi, M., Zhu, M .: "Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: Modeling and experimental validation", in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper number 055007 , is shown. However, in contrast to the energy converter shown there according to the invention at the end of the cantilever beam, a permanent magnet is mounted, which cooperates with the movable part, so that the cantilever is deflected when approaching the ferromagnetic movable part from its rest position and thereby excited to vibrate in its natural frequency ,

Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Zustandsüberwachungssystem mit einem Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein derartiges Zustandsüberwachungssystem weist neben dem eigentlichen Energiewandler auch einen Messwandler oder Sensor auf, der beispielsweise die Anwesenheit des beweglichen Teils registriert und für diesen Vorgang die von dem Energiewandler erzeugte Energie verwendet. The present invention also relates to a condition monitoring system having an energy converter according to the present invention. In addition to the actual energy converter, such a state monitoring system also has a measuring transducer or sensor which, for example, registers the presence of the movable part and uses the energy generated by the energy converter for this process.

Ein Funksender, der ebenfalls mit der Spule oder dem piezoelektrischen Generator des Energiewandlers verbunden ist, sendet ein Signal abhängig von dem Sensorausgang an eine entfernt angeordnete Empfängereinheit. A radio transmitter, which is also connected to the coil or the piezoelectric generator of the energy converter, sends a signal depending on the sensor output to a remote receiver unit.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Energiewandlers zum Einsatz bei Eisenbahnschienen; 1 a schematic representation of a first embodiment of an energy converter for use in railroad tracks;

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Energiewandlers für eine Eisenbahnschiene; 2 a schematic representation of a second embodiment of an energy converter for a railroad track;

3 eine schematische Schnittzeichnung eines Energiewandlers an einer Eisenbahnschiene gemäß einer dritten Ausführungsform; 3 a schematic sectional view of an energy converter on a railway rail according to a third embodiment;

4 eine Seitenansicht der Anordnung aus 3; 4 a side view of the arrangement 3 ;

5 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Energiewandlers an einer Eisenbahnschiene; 5 a schematic sectional view of another advantageous embodiment of the energy converter to a railroad track;

6 eine Seitenansicht der Anordnung aus 5; 6 a side view of the arrangement 5 ;

7 eine schematische Darstellung eines Energiewandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform zu einem ersten Zeitpunkt; 7 a schematic representation of an energy converter according to another embodiment at a first time;

8 die Anordnung gemäß 7 zu einem zweiten Zeitpunkt; 8th the arrangement according to 7 at a second time;

9 die Anordnung aus 7 zu einem dritten Zeitpunkt; 9 the arrangement 7 at a third time;

10 die Anordnung aus 7 zu einem vierten Zeitpunkt. 10 the arrangement 7 at a fourth time.

Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend zunächst mit Bezug auf 1 näher erläutert werden. Beispielhaft soll der erfindungsgemäße elektromagnetische Energiewandler 100 für die Überwachung einer Eisenbahnschiene näher erläutert werden. The present invention is described below first with reference to 1 be explained in more detail. By way of example, the electromagnetic energy converter according to the invention 100 for monitoring a railway track.

In der schematischen Schnittdarstellung der 1 ist der Augenblick gezeigt, in welchem ein Rad 102 eines Zuges sich auf der Schiene 104 an genau dem Ort befindet, an welchem der Energiewandler 100 angeordnet ist. Der Energiewandler 100 besitzt einen magnetfelderzeugenden Permanentmagneten 106, der in der gezeigten Ausführungsform so im Gleisbett montiert ist, dass er mit der Eisenbahnschiene 104 in unmittelbarer Anlage ist. In the schematic sectional view of 1 the moment is shown in which a wheel 102 a train on the rail 104 is located exactly where the energy converter 100 is arranged. The energy converter 100 has a magnetic field generating permanent magnet 106 which in the embodiment shown is mounted in the track bed so as to be in line with the railroad track 104 in the immediate area is.

Weiterhin umfasst der elektromagnetische Energiewandler 100 ein Joch 108, das so angeordnet ist, dass es den durch den Permanentmagneten 106 erzeugten Magnetfluss führt und dafür sorgt, dass der magnetische Kreis in Abwesenheit des Rades 102 aufgrund eines deutlichen Luftspalts 110 offen bleibt. In diesem Fall, ist die Reluktanz des durch das Joch 108, den Permanentmagneten 106 und einen Teil der Eisenbahnschiene 104 gebildeten magnetischen Kreises hoch. Furthermore, the electromagnetic energy converter comprises 100 a yoke 108 which is arranged so that it passes through the permanent magnet 106 generates magnetic flux and ensures that the magnetic circuit in the absence of the wheel 102 due to a clear air gap 110 remains open. In this case, the reluctance is through the yoke 108 , the permanent magnet 106 and part of the railroad track 104 formed magnetic circuit high.

Das Joch trägt mindestens eine Spule 112, an deren Anschlüssen eine induzierte Spannung abgegriffen werden kann, wenn sich der magnetische Fluss, der die Spule durchdringt, ändert. Die magnetische Flussdichte durch die Spule ändert sich insbesondere dann, wenn das Rad 102 eines Zuges den Luftspalt 110 verkleinert und dadurch die Reluktanz des Magnetkreises verringert. Der gezeigte Pfad, in welchem die Magnetfeldlinien geführt werden, ist in diesem Fall so ausgebildet, dass der Hauptanteil des durch den Permanentmagneten 106 erzeugten magnetischen Flusses durch die Spule 112 geführt wird. The yoke carries at least one spool 112 , at whose terminals an induced voltage can be tapped when the magnetic flux passing through the coil changes. The magnetic flux density through the coil changes especially when the wheel 102 a train the air gap 110 reduces and thereby reduces the reluctance of the magnetic circuit. The path shown, in which the magnetic field lines are guided, is in this case designed such that the main part of the through the permanent magnet 106 generated magnetic flux through the coil 112 to be led.

Die auftretende Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule führt zu einer elektromotorischen Kraft (electromotive force, EMF) gemäß dem Faraday-Gesetz. Der induzierte Stromfluss genügt, um beispielsweise einen Funksender zu betreiben, der ein Signal an eine Zähleinheit übermittelt, die die Belastung der Schiene 104 an dieser Stelle überwachen soll. The occurring change in the magnetic flux through the coil leads to an electromotive force (EMF) according to the Faraday law. The induced current flow is sufficient, for example, to operate a radio transmitter, which transmits a signal to a counting unit which reduces the load on the rail 104 to monitor at this point.

Bei Verwendung entsprechender Energiespeichereinheiten, wie beispielsweise bestimmter Kondensatoren (z. B. Supercaps), können mit Hilfe des Energiestoßes auch weitere an der elektromagnetischen Energiewandlereinheit 100 angeschlossene Sensoren betrieben und deren Signal an eine Auswerteeinheit verschickt werden. In dem vorliegenden Fall sind beispielsweise Vibrationssensoren, Drucksensoren oder Temperatursensoren interessant, um Aufschluss über den Zustand der Eisenbahnschiene 104 und über die Belastungen zu geben, denen sie unterworfen ist. When using appropriate energy storage units, such as certain capacitors (eg supercaps), with the help of the energy impact also more at the electromagnetic energy converter unit 100 operated sensors are operated and their signal sent to an evaluation unit. In the present case, for example, vibration sensors, pressure sensors or temperature sensors are interesting to provide information about the condition of the railroad track 104 and to give about the burdens to which it is subjected.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Energiewandlereinheit 100 besteht dabei darin, dass alle im Gleisbett zu montierenden Komponenten, also der Permanentmagnet 106, das Joch 108 mit der Spule 112, sowie eine in der Figur nur schematisch angedeutete Montageeinheit 114, vollständig hermetisch versiegelt, zum Beispiel umspritzt oder umgossen sein können. A significant advantage of the energy conversion unit according to the invention 100 consists in that all components to be mounted in the track bed, ie the permanent magnet 106 , the yoke 108 with the coil 112 , As well as in the figure only schematically indicated assembly unit 114 , completely hermetically sealed, for example, overmoulded or encapsulated.

Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keine Korrosion oder Eindringen von Feuchtigkeit auftreten. In this way it can be ensured that no corrosion or penetration of moisture occur.

Darüber hinaus besitzt die Anordnung 100 keinerlei bewegliche Teile. Der Kontakt mit dem beweglichen Objekt, aus welchem die Energie geerntet wird (in der gezeigten Ausführungsform das Rad des Zuges 102), ist berührungslos, so dass keinerlei Abnutzung und somit eine hohe Zuverlässigkeit und absolute Wartungsfreiheit erreicht werden können. Die erreichbaren Energiedichten sind vergleichsweise hoch, so dass die Ausbeute an erzeugter Energie für eine Reihe von Anwendungsfällen ausreicht. In addition, the arrangement possesses 100 no moving parts. The contact with the mobile object from which the energy is harvested (in the embodiment shown, the wheel of the train 102 ), is non-contact, so that no wear and thus a high reliability and absolute freedom from maintenance can be achieved. The achievable energy densities are comparatively high, so that the yield of generated energy is sufficient for a number of applications.

Prinzipbedingt kann der elektromagnetische Energiewandler 100 als Näherungssensor oder Zählsensor per se verwendet werden, ohne weitere Sensorbauteile zu benötigen. Due to the principle of the electromagnetic energy converter 100 can be used as a proximity sensor or counter sensor per se, without the need for additional sensor components.

Schließlich kann eine Vielzahl von derartigen Energiewandlereinheiten 100 parallel oder in Serie miteinander verbunden werden, um die erzeugten Ströme bzw. Spannungen, die während des Erfassens des Zuges als beweglichem Objekt erzeugt werden, zu verstärken. Finally, a variety of such energy conversion units 100 connected in parallel or in series to amplify the generated currents or voltages generated during the detection of the train as a moving object.

Für einen Fachmann ist selbstverständlich klar, dass der erfindungsgemäße elektromagnetische Energiewandler 100 nicht nur an Eisenbahnschienen im Zusammenwirken mit den Rädern eines Zuges betrieben werden kann, sondern dass der Energiewandler auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen vorteilhaft genutzt werden kann. Grundvoraussetzung ist für das Funktionieren gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip einer geschalteten Reluktanz, dass das bewegliche Teil, welches für die Reluktanzänderung verantwortlich ist, selbst wenigstens teilsweise ferromagnetisch ist. It is obvious to a person skilled in the art that the electromagnetic energy converter according to the invention 100 can not only be operated on railroad tracks in cooperation with the wheels of a train, but that the energy converter can be used to advantage for a variety of other applications. The basic prerequisite for the functioning according to the proposed principle of a switched reluctance is that the movable part, which is responsible for the reluctance change, itself is at least partially ferromagnetic.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform taucht das Rad 102 in den Luftspalt 110 zwischen dem Joch 108 und der Eisenbahnschiene 104 teilweise ein, um den Luftspalt zu verkleinern und die Reluktanz dadurch zu verringern. Eine alternative Möglichkeit der Anordnung ist in 2 gezeigt. Hier bildet das Joch 108 eine Verlängerung der durch das Rad gebildeten Ebene und kann so wesentlich näher an der Eisenbahnschiene montiert werden. Dadurch kann zum einen Material gespart werden und insbesondere durch den reduzierten Abstand zur Eisenbahnschiene 104 die mechanische Stabilität erhöht werden. At the in 1 As shown embodiment, the wheel dives 102 in the air gap 110 between the yoke 108 and the railroad track 104 partially in order to reduce the air gap and thereby reduce the reluctance. An alternative possibility of the arrangement is in 2 shown. Here is the yoke 108 an extension of the plane formed by the wheel and can thus be mounted much closer to the railroad track. As a result, on the one hand material can be saved and in particular by the reduced distance to the railroad track 104 the mechanical stability can be increased.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll mit Bezug auf die 3 und 4 erläutert werden. Wiederum handelt es sich bei diesem Anwendungsbeispiel um eine Energiegewinnung aus dem Vorüberfahren eines Zuges. Die geometrische Anordnung der elektromagnetischen Energiewandlereinheit 100 erfolgt analog zu der Ausführungsform der 2. A further advantageous embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS 3 and 4 be explained. Again, this application example is an energy recovery from passing a train. The geometric arrangement of the electromagnetic energy converter unit 100 takes place analogously to the embodiment of 2 ,

Ein wesentlicher Unterschied besteht zum einen darin, dass der Permanentmagnet 106 in das Joch 108 integriert ist. Dies erhöht zum einen die Effizienz der Energieerzeugung und erhöht zum anderen die mechanische Stabilität und Kompaktheit der Bauweise für die Anordnung. On the one hand, an essential difference is that the permanent magnet 106 in the yoke 108 is integrated. On the one hand, this increases the efficiency of power generation and, on the other hand, increases the mechanical stability and compactness of the construction of the arrangement.

Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass der magnetische Kreis nicht über die Eisenbahnschiene 104 geschlossen wird, sondern dass zwei Schenkel 108A, 108B eines Jochs vorgesehen sind, über die der Fluss geführt wird. Die Montageeinheit 114 ist ebenfalls zum Führen des magnetischen Flusses vorgesehen. Another important difference is that the magnetic circuit is not over the railroad track 104 is closed, but that two legs 108A . 108B a yoke are provided, over which the river is led. The assembly unit 114 is also provided for guiding the magnetic flux.

Nähert sich nun das Rad 102, wird die Reluktanz dieses magnetischen Kreises kurzzeitig reduziert, da der Luftspalt 110 des vorher offenen magnetischen Kreises weitgehend geschlossen wird. Now approaching the wheel 102 , the reluctance of this magnetic circuit is briefly reduced, since the air gap 110 the previously open magnetic circuit is largely closed.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass für das Führen des magnetischen Flusses optimale Materialien verwendet werden können und die magnetischen Eigenschaften der Eisenbahnschiene 104 nicht mehr weiter berücksichtigt werden müssen. Für Anwendungsfälle, in denen außer dem beweglichen Teil keine feststehenden ferromagnetischen Teile zur Verfügung stehen, ist die Anordnung gemäß der 3 und 4 ebenfalls von signifikanter Bedeutung. The advantage of this arrangement is that optimal materials can be used to guide the magnetic flux and the magnetic properties of the railroad track 104 no longer need to be taken into account. For applications in which no fixed ferromagnetic parts are available except the moving part, the arrangement according to the 3 and 4 also of significant importance.

Alternativ zu der stirnseitigen Anordnung zwischen dem bewegten Teil 102 und den beiden Schenkeln 108A und 108B des Joches kann auch ein seitliches Passieren des bewegten Teils 102 vorgesehen sein, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist. Die elektromagnetische Energiewandlereinheit 100 gemäß dieser Ausführungsform ist vollkommen unabhängig von den mechanischen und geometrischen Gegebenheiten der zu überwachenden Anordnung und spricht auf das Passieren jedes beliebig geformten ferromagnetischen Körpers im richtigen Abstand an. Alternatively to the frontal arrangement between the moving part 102 and the two thighs 108A and 108B The yoke can also be a lateral passing of the moving part 102 be provided as in the 5 and 6 is shown. The electromagnetic energy converter unit 100 according to this embodiment is completely independent of the mechanical and geometric conditions of the arrangement to be monitored and is responsive to the passage of any arbitrarily shaped ferromagnetic body at the correct distance.

Weiterhin kann selbstverständlich auch mehr als nur eine Spulenwicklung 112 verwendet werden. Die 3 bis 6 zeigen beispielhaft, dass jeder der beiden Schenkel 108A, 108B eine Wicklung 112A, 112B trägt. Furthermore, of course, more than just a coil winding 112 be used. The 3 to 6 show by way of example that each of the two legs 108A . 108B a winding 112A . 112B wearing.

Damit der induzierte Stromfluss in beiden Wicklungen gleichsinnig ist, sind die Wicklungen entsprechend gegensinnig um die beiden Schenkel angeordnet. Auch die Nord-Süd-Achsen der beiden Permanentmagneten 106A und 106B muss entsprechend antiparallel sein, um zu vermeiden, dass sich das erzeugte Magnetfeld jeweils aufhebt. Thus, the induced current flow in both windings is in the same direction, the windings are arranged in opposite directions around the two legs. Also the north-south axes of the two permanent magnets 106A and 106B must be anti-parallel in order to avoid that the generated magnetic field cancel each.

Es kann natürlich auch daran gedacht werden, nur einen Permanentmagneten in der Montageeinheit 114 vorzusehen. Of course, it can also be thought of, only a permanent magnet in the mounting unit 114 provided.

Mit Bezug auf die 7 bis 10 wird nachfolgend eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Energiewandlers 100’ gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Auch bei diesem Verfahren wird die veränderte Reluktanz in einem magnetischen Pfad durch Annähern eines bewegten ferromagnetischen Teils 102’ zur Energiegewinnung genutzt. With reference to the 7 to 10 Below is a further advantageous embodiment of an energy converter 100 ' explained according to the present invention. Also in this method, the changed reluctance becomes in a magnetic path by approaching a moving ferromagnetic part 102 ' used for energy production.

Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen wird dabei aber nicht eine Induktionsspule als eigentliche Energieerzeugungseinheit eingesetzt, sondern ein piezoelektrischer Kragbalken 116, der beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) hergestellt ist. Selbstverständlich können aber auch andere piezoelektrisch aktive Materialien wie Bariumtitanat, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat oder Quarz verwendet werden. In contrast to the previous embodiments but not an induction coil is used as the actual power generation unit, but a piezoelectric cantilever beam 116 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT). Of course, other piezoelectric active materials such as barium titanate, lithium niobate, gallium orthophosphate or quartz can be used.

Gemäß dieser Ausführungsform ist der Permanentmagnet 106’ an dem Kragbalken 116 fixiert. Die 7 bis 10 zeigen unterschiedliche Zeitpunkte im Bewegungsablauf eines bewegten ferromagnetischen Teils 102’, beispielsweise eines Eisenbahnrades, bei Bewegung in Richtung 118. Wenn das ferromagnetische Material, beispielsweise das Eisenbahnrad 102’, sich dem Kragbalken 116 nähert, ändert sich die Reluktanz in dem magnetischen Pfad 120 und der Magnet 106’ wird zunächst von dem Rad angezogen und folgt dann der Bewegung des Rades in Richtung 118. According to this embodiment, the permanent magnet 106 ' on the cantilever 116 fixed. The 7 to 10 show different times in the movement of a moving ferromagnetic part 102 ' , For example, a railway wheel, when moving in the direction 118 , If the ferromagnetic material, such as the railway wheel 102 ' , the cantilever 116 approaches, the reluctance changes in the magnetic path 120 and the magnet 106 ' is first attracted to the wheel and then follows the movement of the wheel in the direction 118 ,

Bei entsprechender Anordnung an einer Montageeinheit 114’ kann der Kragbalken in genau definierter lateraler Richtung ausgelenkt werden und es werden zunehmend elastische Kräfte innerhalb des Kragbalkens 116 aufgebaut. Wenn die magnetische Anziehung durch das Rad 102’ wieder geringer wird als die inneren elastischen Kräfte in dem Kragbalken 116, schnellt dieser wieder zurück und wird, da im Wesentlichen keine Dämpfung vorliegt, zu einer oszillierenden Schwingungsbewegung mit der Eigenresonanzfrequenz veranlasst. With appropriate arrangement on a mounting unit 114 ' The cantilever can be deflected in a well-defined lateral direction and there are increasingly elastic forces within the cantilever 116 built up. When the magnetic attraction by the wheel 102 ' becomes lower again than the internal elastic forces in the cantilever 116 , this recoils again and, since there is essentially no damping, causes an oscillating oscillatory motion with the natural resonance frequency.

Diese oszillierenden Bewegungen um die Ruhelage der 7 sind schematisch in 10 dargestellt. Dadurch, dass der schwingende Kragbalken 116 wenigstens teilweise piezoelektrische Eigenschaften hat, erzeugt die mechanische Bewegung, wie in dem Artikel Pozzi, M., Zhu, M.: „Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: Modelling and experimental validation“, in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper number 055007 , beschrieben, eine abgreifbare elektrische Spannung. Im Gegensatz zu der dort beschriebenen bekannten Anordnung, bei der Reibung oder Stöße die Vorrichtung beschädigen können, und direkte physische Berührung erforderlich ist, hat die erfindungsgemäße Anordnung 100’ jedoch den Vorteil, dass sie absolut berührungslos arbeitet. Weil außerdem der Kragbalken 116 mit seiner Eigenfrequenz schwingt, ist keine Anpassung der Frequenz erforderlich und die erreichbaren Energiedichten sind vergleichsweise hoch. Darüber hinaus können durch die Fabrikationsverfahren der Mikromechanik außerordentlich weitgehend miniaturisierte Energiewandler auf Basis des Prinzips der 7 bis 10 hergestellt werden. These oscillating movements around the rest position of the 7 are schematic in 10 shown. Because of the swinging cantilever beam 116 has at least partially piezoelectric properties, generates the mechanical movement, as in the article Pozzi, M., Zhu, M .: "Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: Modeling and experimental validation", in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper number 055007 , Described, a tappable electrical voltage. In contrast to the known arrangement described therein, in which friction or impact can damage the device, and direct physical contact is required, the arrangement according to the invention 100 ' but the advantage that it works absolutely contactless. Because also the cantilever 116 with his Natural frequency oscillates, no adjustment of the frequency is required and the achievable energy densities are relatively high. In addition, by the manufacturing methods of micromechanics extremely largely miniaturized energy converters based on the principle of 7 to 10 getting produced.

Die Anwendungsbereiche für das System 100’ entsprechen denen für die Anordnung der 1 bis 6. Zum eine kann eine Zustandsüberwachung bei Schienen und Tunnels oder auch Aufzügen vorgenommen werden, wie dies bereits für die Energiewandlereinhet mit Induktionsspule beschrieben wurde. Weiterhin können Gassensoren, die neben Abgasventilatoren montiert sind, betrieben werden. Eine Drucküberwachung von Autoreifen ist ebenso möglich wie das Antreiben von Anzeigelämpchen für Fahrräder, da die Speichen der Räder ferromagnetisch sind. Schließlich können auch elektronische Türzugangssysteme mit diesem Prinzip mit Energie versorgt werden wenn der ferromagnetische Streifen einer Magnetkarte ein RFID-basiertes Kartenlesesystem mit Energie versorgt. The application areas for the system 100 ' correspond to those for the arrangement of 1 to 6 , On the one hand, a condition monitoring of rails and tunnels or lifts can be made, as has already been described for the Energiewandlereinhet with induction coil. Furthermore, gas sensors mounted next to exhaust fans can be operated. Pressure monitoring of car tires is also possible, as is the driving of indicator lights for bicycles, since the spokes of the wheels are ferromagnetic. Finally, electronic door access systems can also be powered with this principle if the ferromagnetic strip of a magnetic card supplies energy to an RFID-based card reading system.

Bei dem in 7 gezeigten Zeitpunkt t0 hat der Pfad 120 um den Permanentmagneten 106’ eine hohe Reluktanz, da das ferromagnetisch bewegliche Teil 102’ noch weit entfernt ist. Der Kragbalken 116, der an einer feststehenden Montageeinheit 114’ fixiert ist, befindet sich in seiner Ruhelage. Das Rad 102’ bewegt sich in Richtung 118 und zieht den Magneten 106’ an. Dadurch wird der Kragbalken 116 aus seiner Ruhelage in Richtung auf das bewegliche ferromagnetische Teil 102’ ausgelenkt. Der Pfad 120 des magnetischen Flusses um den Permanentmagneten 106’ hat nun eine reduzierte Reluktanz (8). At the in 7 shown time t0 has the path 120 around the permanent magnet 106 ' a high reluctance, since the ferromagnetically movable part 102 ' is still far away. The cantilever 116 attached to a fixed mounting unit 114 ' is fixed, is in its rest position. The wheel 102 ' is moving in the direction 118 and pull the magnet 106 ' at. This will make the cantilever 116 from its rest position in the direction of the movable ferromagnetic part 102 ' deflected. The path 120 the magnetic flux around the permanent magnet 106 ' now has a reduced reluctance ( 8th ).

In 9 ist dargestellt, dass bei weiterer Bewegung des beweglichen ferromagnetischen Objekts 102’ in Richtung 118 der Kragbalken 116 mit dem Magneten 106’ auf seiner Spitze dem ferromagnetischen Teil 102’ in seiner Bewegung folgt (t = t3). In 9 is shown that upon further movement of the movable ferromagnetic object 102 ' in the direction 118 the cantilever 116 with the magnet 106 ' on its top the ferromagnetic part 102 ' in its movement follows (t = t3).

Wenn sich ab dem Zeitpunkt t = t4 das ferromagnetische bewegliche Teil 102’ wieder von dem Energiewandler 100’ weg bewegt, erhöht sich die Reluktanz um den Permanentmagneten 106’ herum wieder (10). Die elastische Rückstellkraft und die Trägheit des Gesamtsystems führen dazu, dass der Kragbalken 116 mit seiner Eigenfrequenz um die Ruhelage oszilliert. Das auf dem Kragbalken 116 aufgebrachte oder den Kragbalken selbst bildende piezoelektrische Material wandelt diese langsam abklingenden oszillierenden Auslenkungen in elektrische Energie um. Diese Energie kann z. B. an der Montageeinheit 114’ abgegriffen und entsprechend den benötigten Anwendungen, wie oben beschrieben, verwendet werden. If, starting from the time t = t4, the ferromagnetic movable part 102 ' again from the energy converter 100 ' moved away, the reluctance increases around the permanent magnet 106 ' around again ( 10 ). The elastic restoring force and the inertia of the overall system cause the cantilever 116 oscillated at its natural frequency around the rest position. The on the cantilever 116 applied or the Kragbalken itself forming piezoelectric material converts these slowly decaying oscillating deflections into electrical energy. This energy can z. B. on the mounting unit 114 ' tapped and used according to the required applications as described above.

Mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Energiewandlereinheit kann also auf besonders einfache Art und Weise Energie aus einem sich an der Energiewandlereinheit vorüber bewegenden Objekt gewonnen werden, ohne dass an dem Energiewandler selbst bewegte Teile oder ein unmittelbarer mechanischer Eingriff vorgesehen werden müssen. Deshalb eignen sich derartige Energiewandler besonders gut für Anwendungsfälle im Zusammenhang mit Systemen zur Zustandsüberwachung, wie sie bei der Instandhaltung von Infrastruktureinheiten verwendet werden. Bezugszeichenliste: Bezugsziffer Beschreibung 100, 100’ Energiewandler 102, 102’ Rad 104 Eisenbahnschiene 106, 106’ Permanentmagnet 108 Joch 110 Luftspalt 112 Spule 114, 114’ Montageeinheit 116 PZT-Kragbalken 118 Fahrtrichtung 120 magnetischer Pfad With the electromagnetic energy converter unit according to the invention, therefore, energy can be obtained in a particularly simple manner from an object moving past the energy converter unit without the need for moving parts or direct mechanical intervention on the energy converter itself. Therefore, such energy converters are particularly well suited for use cases in connection with condition monitoring systems, as used in the maintenance of infrastructure units. LIST OF REFERENCE NUMBERS numeral description 100 . 100 ' energy converters 102 . 102 ' wheel 104 Railroad track 106 . 106 ' permanent magnet 108 yoke 110 air gap 112 Kitchen sink 114 . 114 ' assembly unit 116 PZT Cantilever 118 direction of travel 120 magnetic path

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10315764 B4 [0007]
US 5151695 [0010]
DE 10015765 B4 [0011]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Pozzi, M., Zhu, M .: "Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: modeling and experimental validation", in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper Number 055007 [0028]
Pozzi, M., Zhu, M .: "Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting: Modeling and experimental validation", in: Smart Materials and Structures, Volume 20, Number 5, 2011, Paper number 055007 [0069]

Claims

Electromagnetic energy converter for generating energy as a function of a movable ferromagnetic part to be monitored, wherein the energy converter ( 100 . 100 ' ): at least one permanent magnet ( 106 . 106 ' ) for generating a magnetic field, a power generation unit connected to the permanent magnet ( 106 . 106 ' ), wherein the ferromagnetic member to be monitored changes a reluctance in the magnetic field generated by the permanent magnet depending on a distance between the movable ferromagnetic member to be monitored and the permanent magnet, and wherein the power generation unit is configured to rotate in In response to a degrading reluctance electrical energy is generated.

An energy converter according to claim 1, wherein the power generation unit comprises: a yoke ( 108 ) for guiding through the permanent magnet ( 106 ) generated magnetic flux, wherein the yoke ( 108 ) forms only a part of a magnetic circuit and the magnetic circuit has an air gap ( 110 ) having; at least one electrical coil ( 112 ), which at the yoke ( 108 ) is arranged such that with a change in the magnetic flux through the yoke an electric current flow in the coil ( 112 ), wherein the air gap ( 110 ) is arranged so that the magnetic circuit through the to be monitored movable ferromagnetic part ( 102 ) is at least partially closed.

Energy converter according to claim 1, wherein the yoke has two adjacently arranged limbs ( 108A . 108B ) having.

Energy converter according to claim 2, wherein each of the two legs ( 108A . 108B ) in each case an oppositely wound coil ( 112A . 112B ) wearing.

Energy converter according to claim 2 or 3, wherein each of the two legs ( 108A . 108B ) an integrated permanent magnet ( 106A . 106B ) wearing.

Energy converter according to one of claims 2 to 4, wherein the air gap ( 110 ) between the two legs ( 108A . 108B ) of the yoke and one through both legs ( 108A . 108B ) running magnetic circuit in the presence of the movable ferromagnetic part ( 102 ) is closed.

Energy converter according to one of the preceding claims, wherein the yoke ( 108 ) to a railway track ( 104 ) is mountable, that the air gap ( 110 ) by a wheel ( 102 ) of a train can be closed.

Energy converter according to claim 5, wherein the yoke is designed so that the magnetic circuit is partially covered by the railroad track ( 104 ) passes through.

Energy converter according to claim 5 or 6, wherein the energy converter ( 100 ) so on the railroad track ( 104 ) is mountable, that the permanent magnet ( 106 ) is in direct contact with this.

Energy converter according to claim 1, wherein the power generation unit comprises: a deflectable cantilever beam ( 116 ) on which the permanent magnet ( 106 ' ) is mounted, a piezoelectric element, the so with the cantilever ( 116 ) cooperates, that there is a movement of the cantilever ( 116 ) converts into electrical energy.

Energy converter according to claim 10, wherein the cantilever is designed such that it oscillates after deflection from a rest position with its natural frequency, wherein the piezoelectric element converts the mechanical vibration into electrical energy.

Energy converter according to claim 10 or 11, wherein the cantilever is at least partially made of lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BTO), lithium niobate, gallium orthophosphate or quartz.

Condition monitoring system with an energy converter according to one of the preceding claims, further comprising a transducer for detecting state variables in the environment of the energy converter ( 100 , 100 ' ), wherein the transducer from the energy converter ( 100 . 100 ' ) is energized.

The condition monitoring system of claim 13, further comprising a radio transmitter coupled to the at least one coil ( 112 ) or the piezoelectric element ( 116 ) is connected to the power supply.