DE102012014585B4

DE102012014585B4 - Reluktanzfeder für nicht-lineare vibrationsbasierte Energy-Harvesting-Generatoren

Info

Publication number: DE102012014585B4
Application number: DE102012014585.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Neiss; Michael Kröner; Peter Woias
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: DE102012014585A1

Abstract

Reluktanzfeder mit nicht-linearer Federeigenschaft, umfassend:
ein Magnetfelderzeugungselement (100) zum Erzeugen eines Magnetfeldes;
ein Kernelement (102) zum Führen des Magnetfeldes und zum Erzeugen eines Magnetkreises, wobei das Kernelement (102) einen Spalt definiert;
ein bewegliches, weichmagnetisches Masseelement (104'), das in dem Spalt angeordnet ist und durch seine Bewegung eine Gesamtreluktanz in dem Magnetkreis ändert,
wobei das Masseelement (104') eine keilförmige Geometrie hat und in einer Richtung auslenkbar ist, die quer zu einer Nord-Süd-Achse des Magnetfelderzeugungselements verläuft, so dass die Breite des Spalts variabel ist,
wobei das Masseelement (104') in einer Richtung auslenkbar ist, die quer zu einer durch den Magnetkreis definierten Ebene verläuft, oder wobei das Masseelement (104') in einer Richtung auslenkbar ist, die innerhalb einer durch den Magnetkreis definierten Ebene verläuft.

Description

Nicht-lineare Massefedersysteme haben in neuerer Zeit aufgrund der jüngsten Forschung an Vibrations-Energy-Harvesting-Systemen an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise in den Artikeln S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103, und M. Ferrari et al., Improved energy harvesting from wideband vibrations by nonlinear piezoelectric converters, Sensor Actuat A-Phys, 162 (2010), pp. 425–431, sind derartige Generatoren gezeigt. Weiterhin existieren verschiedene Publikationen, die die Vorteile nicht-linearer Federn hervorheben, insbesondere dass diese zu einer großen Bandbreite des Vibrations-Harvesters in Kombination mit großen Auslenkungsamplituden führen (siehe z. B. B. P. Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012) oder Roszaidi Ramlan, Potential Benefits of a non-linear stiffness in an energy harvesting device, Nonlinear Dyn, (2010), 59, S. 545 – 558).
Das Massefedersystem eines Vibrationsgenerators wirkt - je nach Charakteristik der Feder - als mechanischer Oszillator mit linearer oder nichtlinearer Charakteristik. Mechanische Oszillatoren zeigen bei Anregung mit Wechselbeschleunigung, z. B. durch Montage auf einem vibrierenden Körper, ein typisches resonantes Verhalten. Das bedeutet, das die Bewegung der Masse an der Feder dann maximal wird, wenn die dominante Frequenz der anregenden Vibration mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Oszillators zusammenfällt. Weiterhin ist bekannt, dass die mechanische Güte des Oszillators dann hoch ist, wenn Dämpfung,. z.B. durch Luftreibung am schwingenden System, gering ist. Mit steigender Güte nimmt die Schwingungsamplitude der Masse zu, wodurch aus der Bewegung mittel eines angekoppelten mechanoelektrischen Wandlers, z.B. nach dem piezoelektrischen, kapazitiven oder elektromagnetischen Typ, mehr elektrische Energie gewonnen werden kann Zugleich nimmt die nutzbare Anregungsbandbreite des Systems mit steigender Güte ab. Dies wiederum bedeutet, dass nur Energie aus einer sehr geringen Vibrationsbandbreite gewonnen werden kann. Daraus wiederum entsteht dann ein Nachteil, wenn die Frequenzen der Anregungs-Vibration variabel sind, was sehr häufig der Fall ist.
In 8 zeigt die Kurve 801 das typische Verhalten eines linearen Federmassesystems, während die Kurven 802 und 803 typische Eigenschaften eines nichtlinearen Federmassesystems zeigen.
In der US 4,710,656 A und insbesondere in 3 wird ein Magnetkreis beschrieben, der einen Magneten als magnetfelderzeugendes Element beinhaltet sowie einen U-förmig gebildeten Kern aus magnetischem Material, der einen Spalt definiert (Distanz zwischen den Enden der Schenkel des „U“). In diesem Spalt wird ein weichmagnetisches Element beweglich gelagert, dergestalt, dass es Bewegungen in der Hauptrichtung des Magnetfeldes im Spalt durchführen kann.
Der Artikel Schonhard S. u.a.: Combdrive Configuration for an Electromagnetic Reluctance Actuator, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, No. 5, 5.10.2008, S 1164 - 1171, offenbart eine Kammstruktur für einen elektromagnetischen Reluktanzaktuator. Dabei werden verschiedene Geometrien für die allgemeine Ausgestaltung von Polschuhen in derartigen Aktuatoren beschrieben. Insbesondere zeigt 4 für den „Typ III“ eines elektromagnetischen Aktors ein bewegliches Element, das unter 90° in die Hauptrichtung des magnetischen Flusses in den Kreis eintaucht und zugleich eine keilförmige Neigung seiner Seitenflanke aufweist.
Die US 2009/0 174 289 A1 oder der Artikel Stanton S. u.a.: Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy, Applied Physics Letters 95, 2009, S. 174103-1 - 174103-3, zeigen eine vielfach bekannte Ausführungsform eines piezoelektrischen Vibrationswandlers, bei dem ein piezoelektrisches Element auf einem Kragbalken befestigt ist, der an seiner Spitze eine seismische Masse trägt. In dieser Druckschrift ist diese Masse als Permanentmagnet ausgelegt, der in Nachbarschaft zu stationären Permanentmagneten nichtlineare Rückstellkräfte erfährt. Dazu sind die Permanentmagnete zur seismischen Masse so angeordnet, dass sich jeweils Nordpole und Südpole gegenüberstehen.
Die DE 29 715 711 U1 bezieht sich auf eine magnetische Feder, bei der zwei Permanentmagnete auf einer gemeinsamen Bewegungsachse so angeordnet sind, dass ihre gleichen Pole (Nordpole oder Südpole) einander gegenüberstehen. Dadurch entsteht eine direkte abstoßende Kraft zwischen den beiden Magneten, die für die Erzeugung einer Federwirkung verwendet wird.
Die US 2011/0 309 618 A1 zeigt einen elektromagnetischen Vibrationswandler, bei dem eine Spule 30 in einem Spalt eines magnetischen Kreises liegt, der aus einer Anordnung von Permanentmagneten 28 auf einem Joch 26 besteht. Der magnetische Kreis ist an der Spitze eines Kragbalkens 24 befestigt. Vibrationen der Basis 22 des Wandlers führen dazu, dass die Anordnung aus Kragbalken 24 und Magnetkreis 28-30 in Schwingung gerät. Dadurch ändert sich der magnetische Fluss in der Spule, wodurch wiederum eine elektrische Wechselspannung in der Spule induziert wird.
Diese Entgegenhaltung zeigt also im Wesentlichen einen Kragbalken, der die Position von Permanentmagneten im Bezug auf eine feststehende Spule verändert. Eine ganz ähnliche Anordnung ist auch aus dem Artikel Wischke M. u.a.: Piezoelectrically tunable electromagnetic vibration harvester, IEEE, 2010, S. 1199 - 1202, bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Design nicht-linearer magnetischer Federn, die für Energy-Harvesting-Anwendungen auf Vibrationsbasis eingesetzt werden können, um einen Vibrationswandler mit größerer Bandbreite sowie mit der Möglichkeit einer energieeffizienten Frequenznachstellung zu erhalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung basiert die Feder auf einem Reluktanzkreis, der es erlaubt, die Federeigenschaften in einfacher Art und Weise abzugleichen, um ein speziell angepasstes nicht-lineares Verhalten des Systems einzustellen.
Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Reluktanzfeder im Vergleich zu bekannten Anordnungen eine sehr kompakte Geometrie. Bekannte Anordnungen verwenden üblicherweise die direkte Interaktion zwischen den Magneten, um eine nicht-lineare Rückstellkraft in VibrationsHarvestern zu erzeugen. Solche Systeme benötigen aber gegebenenfalls Auslenkungsamplituden von bis zu 50 mm, da nur eine relativ geringe Nicht-Linearität in dem magnetischen Feld vorhanden ist und der Abstand zwischen den Magneten in derselben Größenordnung sein muss, da bei geringen Abständen sehr große Kräfte zwischen den Magneten auftreten (siehe S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103). Ein Nachstellen der Resonanzfrequenz, z.B. durch Änderung der Relativposition zwischen Magneten, ist nur mit Antrieben möglich, die zugleich große Kräfte und Wege aufweisen. Dies kann mit der Energie, die aus der Vibration geerntet wird, häufig nicht oder nur in großen Zeitintervallen geschehen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 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.
Es zeigen:

1: das Grunddesign einer Feder mit würfelförmigem Masseelement;
2: die Dimensionen der erfindungsgemäßen Feder mit unterschiedlichen Masseelementen;
3: die gemessenen Federeigenschaften für unterschiedliche Massengeometrien;
4: einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator mit keilförmigem Masseelement;
5: eine Fotografie eines Frequenzgangmessaufbaus;
6: die Hysterese der Frequenzantwort eines Generators mit keilförmiger Masse;
7: einen piezoelektrischen Vibrationsgenerator mit würfelförmigem Masseelement;
8: Amplituden- und Phasengang unterschiedlicher Feder-Masse-Systeme;
9: eine magnetische nicht-lineare Feder mit veränderlicher Federeigenschaft gemäß einer ersten Ausführungsform;
10: eine magnetische nicht-lineare Feder mit veränderlicher Federeigenschaft gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Federanordnung wird nachfolgend mit Bezug auf 1 erläutert. Wie in dieser Figur gezeigt, wird der magnetische Fluss eines Permanentmagneten 100 durch einen Spalt geführt, in dem ein weichmagnetisches Material mit hoher Sättigungsflussdichte als Kern 102 verwendet wird. Der Kern 102 kann beispielsweise aus Eisen bestehen. Eine bewegliche, weichmagnetische Masse 104 ist innerhalb dieses Luftspalts angeordnet. Diese Masse 104 wird beweglich, z.B. an einer weiteren Feder, aufgehängt, sie bildet somit einen Teil eines Feder-Masse-Systems. Bewegungen 106 der Masse 104 ändern die Gesamtreluktanz des magnetischen Kreises. Daher wird auch der gesamte magnetische Fluss und die Energie des Systems geändert, wodurch auf die Masse 104 eine Kraft ausgeübt wird, wie dies beispielsweise in dem Artikel S. Schonhardt et al., Combdrive Configuration for an Electromagnetic Reluctance Actuator, J. Microelectromech. Syst., 17 (2008), pp. 1164-117, erläutert ist.
Die Federeigenschaften sind dabei hauptsächlich durch die Gestalt der beweglichen Masse 104 bestimmt. Geeignete Formen und Abmessungen können beispielsweise mit Hilfe einer Finite-Elemente (FEM) Simulation in der Programmierumgebung COMSOL 4.2 ausgewertet werden. Eine erste Möglichkeit der letztendlich gewählten Dimensionen des magnetischen Reluktanzkreises und die Form und Abmessungen eines würfelförmigen Masseelements 104 wie auch eines keilförmigen Masseelementes 104' sind in 2 gezeigt. Die Form des Masseelementes 104 bzw. 104' nimmt, abhängig von der jeweiligen Position zum Spalt des Magnetkreises 102, Einfluss auf Reluktanz und Kräfte. Durch Formgebung des Masseelementes kann somit ein positionsabhängiges Rückstellverhalten, somit eine nichtlineare Kraft-Weg-Charakteristik, erreicht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Masseelement 104, 104' eine Geometrie, die eine gewünschte nichtlineare Federcharakteristik durch Variation der Spaltbreite zwischen Kernelement 102 und Masse 104' einstellt.
Alle Teile können beispielsweise aus reinem Eisen gefräst werden und mit einem Permanentmagneten 100 verklebt werden (beispielsweise NdFeB, N35, B_r=1,17 Tesla). Selbstverständlich können wie später noch im Detail beschrieben auch andere Methoden der Herstellung, die für einen Fachmann geläufig sind, verwendet werden.
3 zeigt die Federeigenschaften für die in 2 gezeigten Masseelemente. Die Masse 104 wurde für diese Messungen an einem Federbalken, ähnlich wie in 4 und 7 dargestellt, aufgehängt. Dabei ist die Kraft (in mN) in Abhängigkeit von der Auslenkung (in mm) angezeigt. Kurve 302 zeigt dabei die würfelförmige Masse, während die Kurve 304 sich auf die keilförmige Masse bezieht. Die hier gezeigten Kurven wurden mit einem KD40S Kraftsensor der Firma ME Messsysteme GmbH gemessen. Wie man aus der 3 erkennen kann, wird die stärkste Nicht-Linearität mit einem keilförmigen Masseelement 104' in einem Auslenkungsbereich von minus 1,5 mm bis plus 0,5 mm aus der Nulllage heraus erreicht. Die Nulllage ist dabei die Stellung, in der die Masse vollständig in dem Luftspalt aufgenommen ist (siehe 1).
Wenn man den in 3 eingezeichneten Bereich der stärksten Nicht-Linearität verwendet, führt dies zu einem Verhalten in Richtung weicherer Konstante in Folge der Kurvenform in diesem Bereich. Umgekehrt kann auch ein Verhalten in Richtung härterer Konstante eingestellt werden, indem man dieselbe Feder in dem Bereich um 0,5 mm verwendet.
4 zeigt die Anwendung des keilförmigen Masseelements 104' in einem piezoelektrischen Vibrationsgenerator. Das Masseelement 104' hat dabei eine Gesamtmasse von 0,46 g und ist auf einem balkenförmigen Generatorarm montiert. Der Energy-Harvester und der zugehörige Reluktanzkreis (in der Figur nicht dargestellt) werden zu Demonstrationszwecken beispielsweise auf einer Schüttelvorrichtung montiert, um die Frequenzantwort des Systems zu messen (5 zeigt schematisch diese Messanordnung).
Nicht-lineare Massefedersysteme zeigen, wie dies bekannt ist, eine Hysterese. Daher wurde die Frequenzantwort sowohl für eine Zunahme wie auch für eine Abnahme der Frequenz aufgezeichnet. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in 6 gezeigt. Es lässt sich daraus ableiten, dass die erfindungsgemäße Feder in der Lage ist, eine signifikante nicht-lineare Rückstellkraft bei moderater Anregungsbeschleunigungsamplitude (6 m/s²) zu erzeugen. Die Hystereseweite beträgt dabei 6 Hz und die maximale Spannungsamplitude liegt bei 106 Hz. Daher stellt die erfindungsgemäße Feder eine Alternative zu den bekannten Konzepten dar, die aber wesentlich kompakter als die bekannten Federn ist.
7 zeigt (alternativ zur 4) die Verwendung eines würfelförmigen Masseelements 104 in einem Energy Harvester, insbesondere in einem Vibrationsharvester auf Basis eines piezoelektrischen Wandlungsmechanismus. Die bewegliche weichmagnetische Masse 104 schwingt in der nicht-linearen Feder. Die Auslenkung des Balkens wird genutzt, um die Bewegungsenergie in elektrische Energie zu wandeln. Alternativ kann hier auch ein elektromagnetisches Wandlungsprinzip genutzt werden.
Die vorliegende Erfindung kann wie erwähnt besonderes vorteilhaft auf dem Gebiet des Energy Harvesting eingesetzt werden. Insbesondere erlaubt sie die Realisierung eines neuartigen Prinzips eines Vibrationswandlers, der folgende Eigenschaften aufweist:

• eine breitbandige Energiewandlung aus Vibrationen, erzielt durch Nutzung eines neuartigen, nichtlinearen resonanten Systems,
• die Möglichkeit der aktiven Beeinflussung des Wandlerverhaltens durch einen energieautark arbeitenden Nachstellmechanismus für die Akzeptanzfrequenzen des Wandlers,
• somit in Summe die Option ein breitbandiges Akzeptanzfenster des Wandlers im Frequenzbereich zu verschieben, um es optimal an das Frequenzspektrum der Energiequelle anzupassen.

Die Nutzung der Energy Harvesting Technologie ermöglicht die Energieversorgung drahtloser, eingebetteter Mikrosysteme durch Umwandlung von Energie aus ihrer unmittelbaren Umgebung in elektrische Energie. Von hohem Interesse, weil häufig in technischen Systemen, Prozessen und in der Natur auftretend, ist in dieser Hinsicht die Nutzung mechanischer Energie in Form von Stößen, Schall oder Vibrationen. Die erfindungsgemäße Reluktanzfeder eignet sich insbesondere für Energy Harvester basierend auf Schall bzw. Vibrationen als Energiequelle.
Unabhängig vom verwendeten mechanoelektrischen Wandlungsmechanismus lassen sich grundsätzlich zwei Klassen von Vibrationsharvestern unterscheiden:
Monofrequente Generatoren:
Dieser Generatortyp steht heute im Zentrum der meisten Forschungsaktivitäten zu Energy Harvesting. Das Funktionsprinzip ist in der großen Zahl an Publikationen identisch, Unterschiede bestehen lediglich in der Wahl der mechanoelektrischen Energiewandler: Als mechanisches System wird ein resonant angeregtes, lineares Feder-Masse-System eingesetzt. Die kinetische Energie der schwingenden Masse wird durch einen geeigneten mechanoelektrischen Wandlungsmechanismus, z. B. durch piezoelektrische, elektromagnetische oder kapazitive Wandler, in elektrische Energie umgewandelt.
Das monofrequente Wandlerprinzip weist inhärente - und u. U. für die Anwendung gravierende - Probleme auf, die aus seiner Natur als linear-resonantes System erwachsen: Das Wandlerprinzip erlaubt durch Resonanzüberhöhung einen effizienten Leistungsübertrag bei oder in unmittelbarer Nähe der Resonanzfrequenz. Der Leistungsübertrag nimmt zu, wenn die Güte des Resonators per Design erhöht wird. Zugleich reduziert sich aber damit die nutzbare Bandbreite, d.h. es entsteht ein unvermeidlicher Designkonflikt zwischen hoher Ausgangsleistung und hoher Bandbreite.
Ein derartiger Vibrationswandler kann somit nur dann maximale Energie liefern, wenn die Frequenz der externen Energiequelle bei oder in unmittelbarer Nähe seiner Resonanzfrequenz liegt. Bereits bei geringen Abweichungen zwischen Anregungsfrequenz und Resonanzfrequenz kann die Ausgangsenergie des Generators je nach eingestellter Güte drastisch abfallen. Der monofrequente Vibrationswandler ist somit ein Generator mit hoher (monofrequenter) spektraler Leistungsdichte, aber kleiner Leistungsbandbreite. Generatoren dieser Klasse können dementsprechend besonders effektiv in Umgebungen einsetzt werden, in denen die auftretenden Vibrationen in einem schmalen Frequenzband auftreten. Dies ist beispielsweise bei elektrischen Synchronmotoren oder bei anderen rotierenden Maschinen mit konstanter Drehfrequenz der Fall. Wesentlich häufiger sind jedoch Anwendungsfälle mit stark schwankender Anregungsfrequenz, für die dieser Wandler nicht oder kaum geeignet ist.
Breitband-Generatoren:
Breitband-Generatoren stehen erst seit jüngerer Zeit im Fokus des Interesses. Dieser Generatortyp ist durch eine hohe Leistungsbandbreite bei geringer spektraler Leistungsdichte charakterisiert. Er eignet sich damit insbesondere für den Einsatz in Umgebungen, in denen sich die Energie der Umgebungsvibration auf ein großes Frequenzspektrum verteilt. Problematisch gestaltet sich allerdings der Einsatz dieses Generatortyps in einer Vibrationsumgebung mit dominanter, allerdings zeitlich variierender Frequenz. Breitband-Generatoren liefern in einer solchen Umgebung nur wenig Energie, wohingegen monofrequente Generatoren nur für eine unter Umständen sehr kurze Zeit ihre maximale Energie liefern können. Der Stand der Forschung ist, was die realisierten Konzepte betrifft, durchaus vielfältig. Beispielsweise fassen Generator-Arrays monofrequente Wandler mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz zu einem Vibrationswandler zusammen. Dieses Konzept hat als Vorteil aufzuweisen, dass unterschiedliche Anregungsfrequenzen in einem Frequenzband gleichzeitig genutzt werden können, wenn sie jeweils in der Nähe einer Generator-Resonanzfrequenz liegen. Ein Frequenzsweep, wie er z. B. bei Erhöhung der Drehzahl am Motorblock eines Fahrzeugs auftritt, durchwandert sequenziell die Resonanzpunkte des Arrays und wird somit mehrfach genutzt. Als nachteilig ist anzusehen, dass Größe, Masse und Komplexität des Arrays mit der Anzahl der hinzugefügten Generatoren stark anwachsen. Ebenso muss jeder Generator des Arrays mit einer eigenen Gleichrichterschaltung versehen werden. Dies erhöht Umfang und Komplexität der Powermanagement-Elektronik und führt zu Verlusten durch Leckströme.
In linearen Systemen gibt es zudem bereits erste Ansätze zur automatischen, energieautarken Anpassung der Resonanzfrequenz an die Umgebung. Wie in dem Artikel S. P. Beeby, R. N. Torah, M. J. Tudor, P. Glynne-Jones, T. O'Donnell, C. R. Saha & S. Roy, A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17, 1257-1265, beschrieben, wird mit Hilfe von Magneten eine axiale Vorspannung auf eine Balkenfeder aufgebracht, wobei die Höhe der Kraft durch den Abstand des Magneten zur Balkenspitze, der mit einem Schrittmotor eingestellt wird, kontrolliert werden kann. Das System beinhaltet außerdem eine Regelungselektronik, die anhand der Phasenverschiebung zwischen Anregung und Systemantwort die Resonanzfrequenz des Generators anpassen kann.
Nichtlineare Feder-Masse-Systeme, so genannte Duffing-Oszillatoren, werden erst in jüngster Zeit als Alternative zu den oben beschriebenen linearen Systemen vorgeschlagen. Dieser Wandlertyp beinhaltet eine Feder mit nicht-linearer Kraft-Weg-Charakteristik, d. h. die Federsteifigkeit wird - je nach Auslegung - mit zunehmender Auslenkung größer (sog. Hardening-Effekt) oder kleiner (sog. Softening-Effekt). Die Frequenz- und Phasencharakteristik eines solchen Systems ist in 8 dargestellt. Im Gegensatz zu linearen Systemen sind Duffing-Oszillatoren über einen gewissen Frequenzbereich durch zwei stabile Schwingungszustände gekennzeichnet, wodurch sich ein Hystereseverhalten des Systems ergibt.
8 zeigt die Simulation von Amplitudengang (links) und Phasengang (rechts) unterschiedlicher Feder-Masse-Systeme. Die Kurven 801 und 801' zeigen das Verhalten eines linearen, harmonischen Systems. Die Kurven 802 und 802' zeigen das Verhalten eines nicht-linearen Duffing-Oszillators mit Softening-Charakteristik, die Kurven 803 und 803' das eines Systems mit Hardening-Charakteristik. Die gestrichelten Teile der Kurven entsprechen instabilen Zuständen, was typisch für nicht-lineare Systeme ist. Dadurch ergibt sich eine Hysteresecharakteristik für solche Systeme. Der Durchlauf durch eine solche Hystereseschleife ist beispielhaft für den Softening-Fall eingezeichnet.
Bei korrekter Auslegung eines Duffing-Oszillators als Energy Harvester erreichen die entsprechenden Generatoren, wie in 8 gezeigt, im Vergleich zu einem linearen System eine hohe Leistungsbandbreite bei gleichzeitig hoher spektraler Leistungsdichte. Sowohl beim Hardeningals auch beim Softening-Konzept steigt die Amplitude der seismischen Masse, ausgehend vom linearen Resonanzpunkt ω₀, über einen gewissen Frequenzbereich an. Es ist somit inhärent Breitbandigkeit gegeben, solange die Anregungsfrequenz sich nicht über eine Scheitelfrequenz oberhalb oder unterhalb von ω₀ hinausbewegt. Für diesen Fall tritt sofort das Hystereseverhalten des Oszillators nachteilig in Erscheinung: Der Oszillator fällt in den unteren Ast des Amplitudengangs, wodurch die Ausgangsleistung abrupt einbricht. Ein Neustart der Schwingung auf dem höheren Attraktor wird erst dann möglich, wenn die Anregungsfrequenz wieder nahe zum Resonanzpunkt bei ω₀ zurückkehrt. Weiterhin hängt die Hysteresebreite, d.h. das nutzbare Frequenzfenster von der Auslenkung der Feder und damit von der externen Anregungsamplitude ab.
In dem Artikel Ramlan, Roszaidi: Potential benefits of a non-linear stiffness in an energy harvesting device. Nonlinear Dyn, (2010), 59, S. 545 – 558, wurde der Einfluss nicht-linearer Federn in einem piezoelektrischen Vibrationsharvester im Hinblick auf potentielle Vorteile bzgl. hoher Frequenzbandbreite bei gleichzeitig hoher spektraler Leistungsdichte untersucht. Im Detail wurde ein Generator mit einer Hardening-Feder untersucht, in dem eine an einer Balkenfeder angebrachte magnetische Masse in einem externen Magnetfeld schwingt, welches eine nicht-lineare Rückstellkraft auf den Balken ausübt. Es wurde gezeigt, dass die Bandbreite eines solchen Generators deutlich über der des vergleichbaren linearen Systems liegt. In dem bereits erwähnten Artikel S. Stanton et al., Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting, Appl. Phys. Lett., 95 (2009), pp. 174103, wurde ein ähnlicher piezoelektischer Generator mit magnetischer nichtlinearer Feder untersucht, wobei sowohl Softening-, als auch Hardening-Effekte eingestellt wurden. Das System mit Softening-Feder erreichte eine etwa viermal größere Bandbreite als das vergleichbare lineare System, wobei zudem gezeigt wurde, dass ein Softening-System auch bei monofrequenter Anregung mehr Leistung als das entsprechende lineare System liefern kann. Das untersuchte Hardening-System erreichte eine etwa 1,25-fach höhere Bandbreite bei etwa gleichbleibender Auslenkung. Die auftretende Hysterese wird hier jedoch als störender Faktor identifiziert, die einen stabilen Betrieb bei monofrequenter Anregung verhindern kann. Der Artikel A. Erturk & D. J. Inman, Piezoelectric Energy Harvesting, John Wiley & Sons, 2011, schlägt die Verwendung eines gezielt ausgelösten Impulses vor, um dem System so eine Anfangsbedingung für einen bestimmten Schwingungszustand aufzuprägen. Im untersuchten Fall konnte durch einen abrupten Stoß mit der Hand das chaotische Verhalten eines nicht-linearen, bistabilen Energy Harvesters aufgelöst und das System in einen hochenergetischen periodischen Zustand überführt werden.
Neben den stets an einer linearen Feder gelagerten piezoelektrischen Ansätzen verfolgt die Publikation D. Spreemann, B. Folkmer, Y. Manoli, Elektromagnetische Vibrationswandler - Techniken im Überblick und Vergleich, tm - Technisches Messen 76, Heft 12, München, 2009, pp. 540-545, ein elektromagnetisches Wandlungskonzept. Eine magnetische Masse schwingt hier ebenfalls in einem externen Magnetfeld, wird jedoch nicht durch eine Balkenfeder gelagert sondern lediglich geführt. Der untersuchte Generator zeigt eine sehr hohe Bandbreite, wobei auch hier aufgrund der Hysterese im Frequenzgang auf die Notwendigkeit einer aktiven Regelung des Generators hingewiesen wird. Entsprechende Arbeiten wurden nicht durchgeführt. Der Artikel B. P. Mann et al., Uncertainty in performance for linear and nonlinear energy harvesting strategies. J. Intell. Mater. Syst. Struct., Online (2012), untersucht ebenfalls einen rein nichtlinearen magnetischen Ansatz mit elektromagnetischem Wandlungsprinzip. Auch hier zeigen sich die charakteristische hohe Bandbreite sowie die Hysterese im Frequenzgang als dominante Eigenschaften des Systems. Gleichzeitig wird die hohe Dämpfung des untersuchten Systems als Schwachstelle identifiziert, da sie die nicht-linearen Eigenschaften im Bereich schwacher Anregung (2,1 m/s²) nahezu vollständig unterdrückt. Als Möglichkeit zur Kontrolle der Hysterese wird daher ein Einfluss über die elektrische Dämpfung, also der extrahierten Energie, vorgeschlagen.
Insgesamt ist das Gebiet nicht-linearer Energy Harvester jedoch nur mit wenigen Publikationen in der Fachliteratur vertreten. Die vorgestellten Beispiele zeigen die Vorteile dieses Ansatzes in Bezug auf eine hohe Bandbreite bei gleichzeitig hoher Auslenkung auf. Offen sind nach wie vor viele Probleme in Bezug auf die Hysterese, die bisher nicht automatisiert gelöst werden konnten, so dass Generatoren nach einem nicht-linearen Federprinzip bis jetzt nicht anwendungsgeeignet sind. Zudem sind die untersuchten Systeme mit lateralen Abmessungen im Bereich von 4 cm x 8 cm sehr groß, was einer Anwendung in miniaturisierten Systemen nicht gerecht wird.
Zur aktiven Beeinflussung des Generatorverhaltens wurden einige Mechanismen zur Anpassung der Resonanzfrequenz an die Umgebungsvibrationen vorgestellt. In allen bereits dargestellten Systemen wird auf die generelle Möglichkeit zur Anpassung der Frequenzcharakteristik durch eine Änderung der Magnetanordnung hingewiesen. Beispielsweise sind die Magneten für diesen Zweck eigens an Schrauben montiert um den Abstand zur schwingenden Magnetmasse einfach zu ändern.
Die bisher vorgestellten Generatoren setzen ausschließlich magnetische Kräfte zur Erzeugung einer nicht-linearen Rückstellkraft ein. Der Vorteil dieses Prinzips im Gegensatz zu beispielsweise einem elektrostatischen Ansatz ist die absolute Passivität. Die bisher verwendeten Prinzipien setzen auf eine einfache Positionierung mehrerer Magneten zueinander. Als Nachteil dieser direkten Wechselwirkung zwischen Magneten erweist sich der große Abstand zwischen den Magneten. Dieser ist notwendig, da die Magnetkräfte bei kleinen Abständen sehr groß werden und so beispielsweise im Fall des Hardening-Effekts die Bewegung des Systems nahezu komplett unterdrücken. Gleichzeitig sind durch die großen Abstände hohe Auslenkungen der schwingenden Masse erforderlich, da der Grad der Nichtlinearität mit zunehmendem Abstand vom Magneten abnimmt. So muss etwa die in Stanton, S. C.; McGehee, C. C. & Mann, B. P.: Reversible hysteresis for broadband magnetopiezoelastic energy harvesting. In: Applied Physics Letters 95 (2009). S. 174103, verwendete, an einer Balkenfeder befestigten Magnetmasse eine deutliche Kreisbewegung ausführen, damit sich nicht-linearen Effekte einstellen und einen Einfluss auf das Systemverhalten haben.
Neben diesen in Energy Harvestern umgesetzten Konzepten gibt es eine Vielzahl magnetischer Federn, die meist zur berührungslosen Lagerung von Komponenten und zur Schwingungsdämpfung eingesetzt werden. Diese Federn arbeiten beispielsweise nach einem Prinzip, bei dem eine mit Magneten bestückte Welle in einer mit gegensätzlich gepolten Magneten Führung aufgenommen wird und so die abstoßende Kraft der Führung und der Welle zur federnden bzw. schwingungsdämpfenden Wirkung führt.
Ähnliche Konzepte werden u.a. von der Firma NTI AG unter der Marke MagSpring^® als Konstantkraftausführung vertrieben. Neben diesen Prinzipien ist bisher noch keine Anordnung bekannt, bei der sich mit Magneten eine möglichst beliebige Federcharakteristik bei hoher Bewegungsfreiheit der seismischen Masse einstellen lässt. Auf Seiten der aktiv gesteuerten, elektromagnetischen Aktuatoren gibt es einige Ansätze zur Erzeugung moderater Kräfte auf eine bewegliche, weichmagnetische Masse durch die Verwendung von Flussleitstücken. Die Flussleitstücke leiten dabei den magnetischen Fluss einer Spule gezielt durch einen Spalt, der durch die bewegliche Masse überbrückt wird. Durch eine Verringerung des Spalts erfolgt eine Minimierung der Gesamtenergie des Systems, so dass sich eine Kraft auf das bewegliche Flussleitstück ergibt. Über die Einstellung des magnetischen Flusses durch die Spule lässt sich so die Kraft auf das bewegliche Teil einstellen.
In der Mikrotechnik sind solche Aktuatoren aufgrund der schwierigen Integrierung von Spulen nur sehr selten vertreten. Daher werden in einem mikrostrukturierten Aktuator für Präzisionspositionierung statt einem einzelnen Spalt eine Fingerstruktur implementiert. Durch diese Maßnahme lässt sich Fertigungstoleranz sowie die Gesamtkraft auf den beweglichen Teil erhöhen.
Basierend auf den mit Bezug auf die 1 bis 6 erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Reluktanzfeder können gemäß einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Grundprinzips für den Einsatz in Energy-Harvestern (oder auch für andere Anwendungsgebiete) nicht-lineare, passiver Federn mit einem Mechanismus zur Anpassung der Federsteifigkeit angegeben werden. Zunächst wird nachfolgend eine Auswahl mehrerer Federn mit der Möglichkeit zur Änderung der Federkonstante, allerdings ohne integrierten Aktor erläutert, mit der es möglich ist, dass eine nicht-lineare Feder zur Verfügung steht, mit der sich die Abhängigkeit von der externen Anregungsamplitude kompensieren lässt. Darüber hinaus kann der Verstimmungsmechanismus dazu genutzt werden, das System auf den optimalen Frequenzbereich des Anregungsspektrums zu überführen.
Im Fokus stehen dabei erfindungsgemäß magnetische Prinzipien. Diese sind im Vergleich zu beispielsweise elektrostatischen Ansätzen komplett passiv, so dass keine zusätzliche Energie aufgewendet werden muss, um die entsprechenden nicht-linearen Effekt zu erzeugen und nutzen zu können. Bei der Auswahl der Geometrie ist zudem darauf zu achten, dass sich ein Mechanismus zur Variation der Federsteifigkeit integrieren lässt. Ein großer Nachteil der bisher von den meisten Arbeitsgruppen eingesetzten direkten Wechselwirkung zwischen zwei Magneten liegt in der hohen Kraft sowie der vergleichsweise geringen Nichtlinearität, so dass die Abstände zwischen den Magneten sehr groß sind und die Auslenkung der Systeme entsprechend ebenfalls sehr groß sein muss.
Als alternatives Konzept werden gemäß der vorliegenden Erfindung Federn auf Basis eines Reluktanzkreises, wie in 9 und 10 dargestellt, verwendet. Diese Art der magnetischen Kreise wird i.d.R. für elektromagnetische Aktoren eingesetzt, sie kann jedoch auch zur passiven Erzeugung einer Kraft genutzt werden. In diesem Fall wird der magnetische Fluss eines Permanentmagneten mithilfe entsprechender weichmagnetischer Kerne gezielt durch einen Spalt geleitet. Der Gesamtfluss und damit die magnetische Energie hängt dabei vom magnetischen Widerstand der Kerne und des Spalts ab. Durch das Eintauchen eines beweglichen Kernstücks in den Spalt wird die Gesamtenergie des Systems verringert, so dass sich eine Kraft auf dieses bewegliche Stück ergibt. Die Kräfte auf das bewegliche Stück sind deutlich geringer als die direkte Anziehung oder Abstoßung zweier Magnete. Zudem kann durch eine Anpassung der Form des beweglichen Kerns die Form der Kraft-Auslenkungs-Kennlinie relativ einfach angepasst werden. Eine Möglichkeit zur Einstellung der Federsteifigkeit ist durch die Änderung der Gesamtreluktanz gegeben. Je höher diese Änderung ist, desto stärker ist wiederum die Änderung in der Federsteifigkeit. Ein steuerbarer magnetischer Kurzschluss des Magneten verringert beispielsweise den Gesamtfluss durch den magnetischen Rückschluss der Feder. Alternativ dazu kann die Spaltbreite verändert werden, die eine um Größenordnungen höhere Reluktanz als die weichmagnetischen Kerne aufweist und somit den Maximalfluss limitiert.
Mögliche Konzepte zur Umsetzung dieser Konzepte sind in den 9 und 10 gezeigt. Das in 9 dargestellte Konzept beinhaltet zwei Gelenke und eine piezoelektrische Aktorstruktur.
Durch das Anlegen einer Spannung an den Aktor dehnt sich dieser aus, wobei die Ausdehnung durch die geometrische Anordnung entsprechend verstärkt wird und sich somit die Spaltbreite direkt einstellen lässt. Insbesondere zeigt 9 eine mögliche Ausführung einer magnetischen nicht-linearen Feder. Der bewegliche Kern sieht während er in den Magnetkreis eintaucht eine nicht-linear ansteigende Kraft. Das Maß der Nicht-Linearität kann auf einfache Weise durch einen Piezoaktor, der die Spaltbreite verändert, eingestellt werden. Dadurch lässt sich idealerweise bereits ein breites Frequenzspektrum abdecken. Die Spule, die in 9 gezeigt ist, kann auch zur Energieernte genutzt werden.
10 zeigt ein alternatives Konzept, bei dem der magnetische Fluss durch eine in den Magnetrückschluss eingebettete bewegliche Schiene gezielt verändert werden kann, was einen ähnlichen Effekt auf die Federkonstante des Kreises hat.
Das in 10 dargestellte Konzept beinhaltet Gleitstücke, die aus abwechselnd weichmagnetischem und diamagnetischem Material bestehen, der Kern ist an der Stelle der Gleitstücke entsprechend geformt. Die alternierende Anordnung von diamagnetischem Material mit sehr hoher Reluktanz und weichmagnetischem Material mit sehr niedriger Reluktanz stellt eine Parallelschaltung im elektrischen Ersatzschaltbild dar, so dass sich durch die Position der Gleitstücke die Gesamtreluktanz einstellen lässt. Eine mögliche Aktuierung ist beispielsweise ebenfalls mithilfe piezoelektrischer Prinzipien realisierbar, wobei hier auch bistabile Antriebskonzepte kombiniert mit einer Vielzahl solcher Gleitstücke eine Alternative darstellen. Neben der Möglichkeit zur Einstellung der Federkonstante bieten die vorgeschlagenen Reluktanzaktoren erweiterte Möglichkeiten zur Systemüberwachung im Vergleich zu den bisher verwendeten direkten Magnetwechselwirkungen. So kann mithilfe einer Überwachungsspule die Änderung des magnetischen Flusses bestimmt werden. Auch die direkte Verwendung einer größeren Spule als elektro-magnetischer Wandlungsmechanismus ist in vorteilhafter Weise möglich.
Die Auswahl der für die Anwendung geeigneten Geometrien hinsichtlich ihrer Federkennlinie kann mithilfe von FEM-Simulationen getroffen werden.
Die ausgewählten Federgeometrien können im Anschluss an die Optimierung nach verschiedenen Fertigungsprozessen gefertigt werden. Der genaue Fertigungsprozess hängt letztendlich von den gewählten Materialien ab. Beispielsweise ist eine Verwendung von verklebtem, weichmagnetischem Trafoblech aufgrund der hohen Sättigungsflussdichte des Materials von etwa 2.1 T vorteilhaft. Die Verwendung vom verklebtem Trafoblech minimiert außerdem Wirbelstromverlust im weichmagnetischen Kern, die durch die ständige Änderung des magnetischen Flusses entstehen, so dass hierdurch die Dämpfung der Feder minimiert wird. Die Geometrie kann mithilfe eines Lasers aus den Blechen ausgeschnitten und anschließend mit einer Presse verklebt werden. Für diese Prozessabfolge können sich unter Umständen Probleme bei der Ausrichtung der ausgeschnittenen Blechteile vor dem Verkleben ergeben. Diese können durch eine flexible Silikonhalterung allerdings behoben werden.
Daneben können auch direkt verklebte Bleche mit einer Drahterodiermaschine zugeschnitten werden. In beiden angedachten Fertigungsvarianten ist allerdings ein unter Umständen nicht zu vernachlässigender Wärmeintrag in das Material möglich, der von der tatsächlichen Größe der ausgewählten Federn abhängt. Eine solche Wärmeentwicklung kann die magnetischen Eigenschaften des bearbeiteten Materials nachhaltig verschlechtern, so dass eine aufwändige Nachglühung notwendig wäre. Sollte sich herausstellen, dass diese Verschlechterung in einem nicht tolerierbaren Maße stattfindet, kann das verklebte Trafoblech durch Wasserstrahlschneiden bearbeitet werden. Die hergestellten weichmagnetischen Kerne werden zum Schluss mit den ausgewählten Magneten verklebt.
Als gänzlich alternative Herstellungsmethode bietet sich ein Gießprozess für sehr kleine Strukturen an. Hier wird ein mit einem weichmagnetischen Pulver gefülltes Polymer (beispielsweise Epoxidharz) in eine Silikongussform gefüllt und darin ausgehärtet. Entsprechende Gießprozesse werden seit Jahren für die Herstellung von piezoelektrischen Aktoren in der Piezo-Polymer-Komposit-Technologie eingesetzt. Hierfür wird eine Masterform der gewünschten Struktur aus Aluminium mit konventionellen Prozessen wie CNC-Fräsen gefertigt. Im Anschluss wird ein Silikonabguss dieser Aluminiumform hergestellt, der daraufhin für die Herstellung der Struktur verwendet wird. Im Gegensatz zu der Verwendung eines Trafoblechverbunds lassen sich mithilfe des Gießprozesses deutlich kleinere Strukturen mit genaueren Abmessungen herstellen. Allerdings ist die Sättigungsflussdichte vermutlich deutlich geringer, so dass diese Herstellungsvariante nur im Falle von sehr hoher geforderter Präzision eingesetzt werden soll.

Claims

Reluktanzfeder mit nicht-linearer Federeigenschaft, umfassend: ein Magnetfelderzeugungselement (100) zum Erzeugen eines Magnetfeldes; ein Kernelement (102) zum Führen des Magnetfeldes und zum Erzeugen eines Magnetkreises, wobei das Kernelement (102) einen Spalt definiert; ein bewegliches, weichmagnetisches Masseelement (104'), das in dem Spalt angeordnet ist und durch seine Bewegung eine Gesamtreluktanz in dem Magnetkreis ändert, wobei das Masseelement (104') eine keilförmige Geometrie hat und in einer Richtung auslenkbar ist, die quer zu einer Nord-Süd-Achse des Magnetfelderzeugungselements verläuft, so dass die Breite des Spalts variabel ist, wobei das Masseelement (104') in einer Richtung auslenkbar ist, die quer zu einer durch den Magnetkreis definierten Ebene verläuft, oder wobei das Masseelement (104') in einer Richtung auslenkbar ist, die innerhalb einer durch den Magnetkreis definierten Ebene verläuft.
Reluktanzfeder nach Anspruch 1, wobei die Magnetfelderzeugungseinheit durch einen Permanentmagneten gebildet ist.
Reluktanzfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (102) aus Eisen hergestellt ist.
Reluktanzfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (102) wenigstens teilweise beweglich ausgeführt ist, so dass eine Breite des Spalts einstellbar ist.
Reluktanzfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (102) weiterhin mindestens ein bewegliches Gleitstück umfasst, dessen Position innerhalb des Kernelements zum Einstellen eines magnetischen Widerstandes des Magnetkreises veränderbar ist.
Reluktanzfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens teilweise aus miteinander verklebten Metallblechen hergestellt ist.
Reluktanzfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wenigstens teilweise aus einem gegossenen Kompositwerkstoff hergestellt ist.
Reluktanzfeder nach Anspruch 7, wobei der Kompositwerkstoff ein mit einem weichmagnetischen Pulver gefülltes Polymer umfasst.
Vibrationsgenerator mit einem die Vibration aufnehmenden Kragbalken und mit einer Feder nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Generator mit der Feder verbunden ist, indem ein Masseelement (104') an einem äußeren Bereich des Kragbalkens angebracht ist und mit dem zugehörigen Kernelement (102) der Reluktanzfeder zusammenwirkt.
Vibrationsgenerator nach Anspruch 9, wobei der Kragbalken eine piezokeramische Schicht zum Erzeugen elektrischer Signale in Antwort auf eine mechanische Oszillation trägt.
Vibrationsgenerator nach Anspruch 10, wobei der Generator eine elektromagnetische Wandlereinheit zum Erzeugen elektrischer Signale in Antwort auf eine mechanische Oszillation aufweist.