DE10315764B4

DE10315764B4 - Elektromagnetischer Energiewandler für miniaturisierte Funkschalter

Info

Publication number: DE10315764B4
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: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: US20080265693A1; EP2267873A3; EP1611663B3; US7786887B2; EP1611663B1; DE10315764A1; EP2267873A2; WO2004093300A1; US20060087392A1; EP1611663A1; US7391135B2

Abstract

Elektromagnetischer Energiewandler umfassend zumindest einen Permanentmagneten (2) und ein bewegliches 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 Öffung oder zu einer Schließung des magnetischen Kreises führt,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch ein Federelement (9), die zweite Ruhelage instabil gestaltet wird, so daß nach einer Bewegung in die zweite Ruhelage das bewegliche Element (6) in die erste Ruhelage zurückkehrt und das bewegliche Element (6) durch das Federelement (9) gebildet ist.

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.

Es sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen zur Wandlung von Energie bekannt.

Die Druckschrift DE 198 52 470 A1 offenbart ein elektromechanisches Energieerzeugungssystem, bei dem durch Anwendung des elektromagnetischen Induktionsgesetzes, durch Änderung des magnetischen Feldes die Wandlung einer mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt. Dazu ist in DE 198 52 470 A1 ein bewegliches Element offenbart, an dem Dauermagneten angeordnet sind. Ein hufeisenförmiges weichmagnetisches Element ist von einer Induktionsspule umgeben. Die Dauermagneten sind so an dem beweglichen Element angeordnet, dass das bewegliche Element beim Ausführen einer Bewegung die Lage der Dauermagneten zu dem weichmagnetischen Element ändert. Dadurch wird eine Änderung oder gar eine Umkehrung des magnetischen Feldes im weichmagnetischen Teil bewirkt. Das bewegliche Element ist zwischen zwei Federelementen angeordnet, so dass es in einer Richtung hin und her schwingbar ist.

Die Druckschrift DE 198 18 580 A1 zeigt einen Gasgenerator zur Erzeugung kurzzeitiger elektrischer Energieimpulse bei dem eine gerichtete Kraft auf einen induzierenden Magneten wirkt. Mit dem Einwirken dieser Kraft werden abstoßende Magnetfelder zuerst überwunden und nach dem Überwinden der abstoßenden Magnetfelder wird durch die magnetische Kraft des induzierenden Magneten der Magnet zusätzlich beschleunigt und in Richtung auf die Induktionsspule bewegt. An der Induktionsspule ändert sich durch den Magneten der elektrische Fluss was zu einer Induktion in der Spule führt. Der Magnet ist dabei ein bewegliches Element.

Die Druckschrift DE 101 25 059 A1 zeigt einen induktiven Spannungsgenerator, bei dem ein Dauermagnet als ein bewegliches Element mit einem Federelement gekoppelt ist. Der Dauermagnet führt eine Bewegung in einer Richtung aus, wobei das Ende der Bewegung durch einen Anschlagpunkt an einem Weicheisenkern einer Spule gebildet ist. Durch das Auftreffen des Dauermagneten auf den Weicheisenkern der Spule, oder bei einer umgekehrten Richtung der Bewegung durch das Entfernen des Dauermagneten von dem Spulenkern, erfolgt eine Induktion einer Spannung in der Spule.

Die Druckschrift US 3,984,707 A zeigt einen Signalgenerator, bei dem ein Dauermagnet als Spulenkern innerhalb der Spule bewegt wird, wobei die Bewegung des Dauermagneten dadurch erreicht wird, dass mit dem Dauermagneten Federelemente gekoppelt sind. Durch die Bewegung des Dauermagneten in der Spule wird elektrische Spannung induziert.

Die Druckschrift WO 98/36395 A2 zeigt eine Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung kodierter Hochfrequenzsignale, bei der ein elektromechanischer Wandler, unter anderem auch ein Induktionswandler mit einem Element mit nichtlinearer Kennlinie und einer Kodierungseinrichtung verbunden ist, um ein hochfrequentes kodiertes Signal mit der durch den Wandler erzeugten elektrischen Energie zu senden.

Die Druckschrift DE 100 25 561 A1 offenbart eine Fortentwicklung der in Druckschrift WO 98/36395 A2 offenbarten Anord nung, wobei alternativ als elektromechanischer Wandler ein Piezoelement als piezoelektrischer Biegewandler vorgeschlagen ist. Bei einem piezoelektrischen Biegewandler erfolgt die Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie durch eine Biegung des Wandlerelementes. Dadurch erfolgt eine Trennung der Ladungen in dem Piezokristall, was zu einer elektrischen Spannung führt, die abgreifbar ist. Alternativ zu dem piezoelektrischen Wandler ist eine Induktionsspule als elektromechanischer Wandler erwähnt.

Die Druckschrift GB 856 607 A zeigt einen elektrischen Pulsgenerator, mit einer Spule und einem Dauermagneten, bei dem der Dauermagnet durch die magnetische Kraft eines weiteren Dauer-magneten mit einem Bedienelement gekoppelt ist und in der Spule hin und her beziehungsweise aus der Spule hinein und heraus bewegt wird. Dadurch erfolgt die Induktion einer Spannung in der Spule.

Die Druckschrift US 3,693,033 A zeigt einen elektrischen Pulsgenerator, bei dem in eine Spule ein weichmagnetischer Kern hineinbewegt wird, wobei die Bewegung durch ein Federelement ausgelöst ist. Der weichmagnetische Kern ist teilweise ringförmig von einem Dauermagneten um-schlossen, so dass sich in der Spule der magnetische Fluss ändert und damit Spannung in der Spule induziert wird. Der Dauermagnet mit dem weichmagnetischen Kern ist gegenüber der Spule beweglich. Die Bewegung wird ausgelöst durch ein Bedienelement das mit einer Feder gekoppelt ist.

Die Druckschrift DE 100 11 448 A1 zeigt einen Generator zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft bei dem durch eine Drehbewegung ein Dauermagnet zu einer Spule in seiner Richtung geändert wird, so dass in der Spule durch eine Richtungsänderung des magnetischen Flusses Spannung induziert wird.

Nachteilig an den elektromagnetischen Wandlern welche in den oben genannten Druckschriften offenbart sind ist, dass diese jeweils für sich betrachtet vergleichsweise große Vorrichtungen mit großem Raumbedarf sind. Für energieautarke Systeme, zum Beispiel kleine Funkschalter, ähnlich den Funkschaltern die aus dem KFZ Bereich als batteriebetriebene Vorrichtungen bereits bekannt sind, eignen sich die Energiewandler aus den oben genannten Druckschriften nicht.

Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, den Raumbedarf von elektromechanischen induktiven Energiewandlern zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Energiewandler, umfassend zumindest einen Permanentmagneten und ein bewegliches Element, wobei eine elektrische Spule zumindest einen Teil des Permanentmagneten oder des beweglichen Elementes umschließt, und wobei eine Bewegung des beweglichen Elementes aus einer ersten Ruhelage oder einer zweiten Ruhelage heraus zu einer Öffnung oder zu einer Schließung des magnetischen Kreises führt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem solchen elektromagnetischen Energiewandler mit einem Federelement die zweite Ruhelage instabil gestaltet wird, so dass nach einer Bewegung in die zweite Ruhelage das bewegliche Element in die erste Ruhelage zurückkehrt und dass das bewegliche Element durch das Federelement gebildet ist.

Durch die bauliche Vereinigung des beweglichen Elementes mit dem Federelement entfällt die bei sämtlichen Druckschriften feststellbare bauliche Trennung von beweglichem Element und Federelement. Somit ist eine Raumeinsparung zu erreichen.

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 Mecha nik 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 (8) mit dem Energiewandler verbunden.
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 umfassend zumindest einen Permanentmagneten (2) und ein bewegliches 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 Öffung oder zu einer Schließung des magnetischen Kreises führt, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Federelement (9), die zweite Ruhelage instabil gestaltet wird, so daß nach einer Bewegung in die zweite Ruhelage das bewegliche Element (6) in die erste Ruhelage zurückkehrt und das bewegliche Element (6) durch das Federelement (9) gebildet ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (9) aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (9) durch magnetische Selbsthaltekräfte in der ersten oder der zweiten Ruhelage gehalten wird.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (9) mit einer Totpunktmechanik ausgestattet ist, welche ein rasches Öffen oder Schließen des magnetischen Kreises bewirkt, sobalt eine vorbestimmte, auf das Federelement (9) einwirkende, Kraft überschritten ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material aus Eisen, Ferrit, einer Nickel-Eisen-Legierung ist, oder ein sogenanntes Elektro- oder Trafoblech ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (2) aus zwei konzentrischen Ringen gebildet ist, die über eine kreisförmige Bodenplatte (4) verbunden sind, so daß die der Bodenplatte (4) gegenüberliegende Seite der Ringe einen magnetischen Nordpol (N) und einen magnetischen Südpol (S) bildet.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der konzentrischen Ringe mit der Bodenplatte (4), der andere der konzentrischen Ringe mit dem Federelement (9) verbunden ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Ruhelage der magnetische Kreis durch einen Luftspalt unterbrochen ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des elektromagnetischen Energiewandlers in einer miniaturisierten Ausführung kleiner oder gleich der Größe einer Knopfzellenbatterie ist.
Elektromagnetischer Energiewandler nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des elektromagnetischen Energiewandlers, in einer miniaturisierten Ausführung, im Durchmesser kleiner oder gleich 1,5 cm ist.
Verwendung eines elektromagnetischen Energiewandlers gemäß eines der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein energieautarker Schalter (8) durch den elektromagnetischen Energiewandler mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verwendung eines elektromagnetischen Energiewandlers nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der energieautarker Schalter (8) ein Funkschalter oder ein Singalgeber ist.
Verwendung eines elektromagnetischen Energiewandlers nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der energieautarker Schalter (8), mit dem elektromagnetischen Energiewandler baulich verbunden ist.