DE10315764A1

DE10315764A1 - Elektromagnetischer Energiewandler für miniaturisierte Funkschalter

Info

Publication number: DE10315764A1
Application number: DE10315764A
Authority: DE
Inventors: Frank Schmidt
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: EP1611663B3; US7786887B2; EP2267873A3; DE10315764B4; US7391135B2; US20080265693A1; EP1611663A1; WO2004093300A1; EP2267873A2; EP1611663B1; US20060087392A1

Abstract

Elektromagnetischer Energiewandler, bestehend aus zumindest jeweils einem Permanentmagneten (2) und einem beweglichen Element (6), wobei eine elektrische Spule (1) zumindest einen Teil des Permanentmagneten (2) oder des beweglichen Elements (6) umschließt, wobei eine Bewegung des beweglichen Elements (6), aus einer ersten Ruhelage oder einer zweiten Ruhelage heraus, zu einer Öffnung oder zu einer Schließung des magnetischen Kreises führt.

Description

Funkschalter werden bislang mit Batterien, oder auch mit z.B. piezoelektrischen Energiewandlern betrieben.
Energieautarke Funkschalter und Funksensoren können ohne einen Energiespeicher kurzzeitig betrieben werden, indem durch manuelle oder anderweitige mechanische Betätigung Energie zur Verfügung gestellt und mit einem nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitenden Wandler in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Erfindung besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführung des Energiewandlers, durch die es möglich wird:

– Eine stark miniaturisierte Bauform zu realisieren
– Bei Krafteinwirkung und zusätzlich beim Nachlassen der Kraft Energie zu wandeln
– Eine von der Betätigungsgeschwindigkeit unabhängige Mindestenergie zu wandeln
– Mehrere verschiedene Schaltbefehle mit nur einem Energiewandler zu erzeugen

1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Energiewandlers. Ein Permanentmagnet (2) befindet sich in einem Magnetkreis aus weichmagnetischem Material wie Eisen, Ferrit, oder Trafoblechen. (3, 4). Dieser hat ein bewegliches Teil (6), welches hier vorteilhaft als eine Schnappfeder ausgeführt ist. Diese verbindet rasch 2 magnetisch verschiedene Pole, sobald die ausgeübte Kraft (7) einen bestimmten Wert übersteigt. Wenn dies geschieht, schließt sich ein magnetisch gut leitfähiger Kreis, der zuvor durch Luftspalte geöffnet war. Dadurch wird eine rasche Änderung des von der Spule (1) umschlossenen Magnetflusses erreicht. Diese Änderung führt zur Induktion einer Spannung, die an den Anschlußdrähten entnommen und zur kurzzeitigen Versorgung einer Funkelektronik eingesetzt werden kann.
Wird also Kraft auf dieses bewegliche Teil ausgeübt (Pfeil in 2), speichert die Schnappfeder die zugeführte Energie durch eine geringfügige Verformung, bis ein Totpunkt erreicht ist. Bei Überschreitung dieses Totpunktes klappt die Feder relativ rasch in die zweite (instabile) Position, in der sie entweder selbst oder über ein zusätzliches magnetisch leitendes Teil den magnetischen Kreis schließt. Dieses Umklappen geschieht auch bei langsamer Erhöhung der Betätigungskraft mit einer minimalen Geschwindigkeit, die durch die Dimensionierung des Magnetkreises eingestellt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch bei langsamer Betätigung hinreichend Energie zum Betrieb des Funksensors/Funkschalters gewandelt wird. Beim Nachlassen der Betätigungskraft kommt es zum umgekehrten Vorgang: der Magnetkreis wird plötzlich rasch unterbrochen, sobald der Totpunkt erreicht ist und die Mechanik in ihren stabilen Ruhezustand zurückklappt. Hier wird also erfindungsgemäß sowohl beim Drücken als auch beim Loslassen des Schalters Energie erzeugt.
Der magnetische Fluß durch den von der Spule (1) umwickelten Teil des Magnetkreises (3) ändert beim Schließen oder Öffnen des Magnetkreises seine Stärke. Diese rasche magnetische Flußänderung führt zu einer kurzzeitigen Spannungsinduktion in der Spule, und die so erzeugte elektrische Energie kann mit Gleichrichtern, vorzugsweise Halbleiter-Metallkontakt-Dioden gleichgerichtet und nach Zwischenspeicherung in einem Kondensator zum kurzzeitigen Betrieb eines Funkschalters oder Funksensors genutzt werden. Denkbar ist auch, mehrere Spulen zu verwenden, und auf eine Gleichrichtung der Energie, die insbesondere bei kleinen Spannungen hohe Verluste erzeugt, zu verzichten.
Die Polarität der erzeugten Spannung wechselt mit der Art der Betätigung. Erfindungsgemäß kann diese Polarität von der angeschlossenen Elektronik gemessen werden und die darin enthaltene Information über die Richtung des Zustandswechsels mit dem auszusendenden Funksignal übertragen werden.
Die Mechanik, welche auf den beweglichen Teil des Energiewandlers einwirkt, hat zumindest eine Betätigungseinrichtung, wie z.B. eine Tasterfläche. Erfindungsgemäß können auch mehrere Betätigungseinrichtungen auf den einen Energiewandler in der gleichen Weise einwirken, wenn Funkschalter mit mehreren Kanälen realisiert werden sollen. In diesem Fall wird durch eine hinreichende Anzahl von Sensoren, z.B. einen Sensor pro Betätigungseinrichtung, sichergestellt, daß die jeweils aktivierte Betätigungseinrichtung von der angeschlossenen Elektronik ermittelt wird. Die Information wird dann in das zu übertragende Funktelegramm eingebracht. Die angeschlossene Funkelektronik ist vorzugsweise in eine kompakte, miniaturisierte Einheit mit dem Energiewandler verbunden (1 und 2, 7).
Ein Elektromagnetischer Energiewandler zum vorzugsweisen Einsatz in Funkschaltern, bestehend aus mindestens einem magnetischen Kreis mit mindestens einem beweglichen Teil, mindestens einer Spule, und mindestens einem Permanentmagneten.
Der magnetisch leitende Kreis ist vorzugsweise aus einem magnetisch weichen Material wie z.B. Weicheisen, Ferrit oder Transformatorblech ausgeführt.
Der magnetische Kreis ist konstruktiv so gestaltet, daß:

– eine Betätigung des beweglichen Teils zum Öffnen oder Schließen des Magnetkreises durch eine Feder oder ein anderes bewegliches magnetisch leitendes Bauteil führt.
– durch Verwendung einer Totpunkt-Mechanik mit mindestens einem Federelement 2 Zustände definiert sind, die bei Betätigung rasch wechseln
– durch dieses Federelement einer der beiden Zustände instabil gestaltet wird, so daß der bewegliche Magnetkreisteil nach dem Betätigen selbsttätig zurückschnappt, sobald die einwirkende Kraft einen konstruktiv vorgegebenen Wert unterschreitet
– wodurch ein Tastschalter realisiert werden kann, welcher beim Drücken wie auch beim Loslassen Energie wandelt.

Der mit dem Energiewandler betreibbare Funksender besitzt mindestens eine Betätigungseinrichtung, welches auf den Energiewandler mechanisch einwirkt. Besitzt er mehrere Betätigungseinrichtungen, wirken diese alle auf den einen Energiewandler und zusätzlich auf eine geeignete Anzahl Sensoren zur Detektion der jeweils aktivierten Betätigungseinrichtung. Die Informationen über die Identität des Betätigungsfeldes kann somit in das auszusendende Funksignal eingebracht werden.
Die Information über die Art der Betätigung (Drücken oder Loslassen bei Tastschaltern bzw. Drücken an verschiedenen Betätigungsflächen bei Kippschaltern) kann über die Polarität der erzeugten Spannung sensiert werden und ebenfalls mit dem Funksignal übertragen werden.
Die Funkelektronik zum Aussenden der Schaltinformation kann mit dem Energiewandler vorzugsweise zu einer baulich miniaturisierten, kompakten Einheit zusammengefaßt werden.

Claims

Elektromagnetischer Energiewandler bestehend aus zumindest jeweils einem Permanentmagneten und einem beweglichem Element, wobei eine elektrische Spule zumindest einen Teil des des Permanentmagneten oder des beweglichen Elements umschließt, dadurch gekennzeichnet , daß eine Bewegung des beweglichen Elements aus einer ersten Ruhelage oder einer zweiten Ruhelage heraus, zu einer Öffung oder zu einer Schließung des magnetischen Kreises führt.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegleiche Element aus einem weichmagnetischem Material gefertigt ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element durch magnetische Selbsthaltekräfte in der ersten oder der zweiten Ruhelage gehalten wird.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Federelement, die zweite Ruhelage instabil gestaltet wird, so daß nach einer Bewegung in die zweite Ruhelage das bewegte Elemtent in die erste Ruhelage zurückkehrt.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Elemente mit einer Totpunktmechanik ausgestattet ist, welche ein rasches Öffen oder Schließen des magnetischen Kreises bewirkt, sobalt eine vorbestimmte, auf das bewegleiche Element einwirkende, Kraft überschritten ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material aus Eisen, Ferrit, Nickel-Eisen-Legierung ist, oder sogenannte Elektro- oder Trafobleche sind.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element durch das Federelement gebildet ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet aus zwei konzentrischen Ringen gebildet ist, die über eine kreisförmige Bodenplatte verbunden sind, so daß die der Bodenplatte gegenüberliegende Seite der Ringe einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol bildet.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einer der konzentrischen Ringe mit der Bodenplatte, der andere der konzentrischen Ringe mit dem beweglichem Element verbunden ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Ruhelage der magnetische Kreis durch ei nen Luftspalt unterbrochen ist.
Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des elektromagnetischen Wandlers in einer miniaturisierten Ausführung kleiner oder gleich der Größe einer Knopfzellenbatterie ist.
Verwendung eines elektromagnetischen Energiewandlers gemäß eines der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein energieautarker Schalter, z.B. ein Funkschalter oder ein Signalgeber, durch den elektromagnetischen Wandler mit elektrischer Energie versorgt wird.