感應(yīng)發(fā)電機(jī)和在使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)的情況下生成電流的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種感應(yīng)發(fā)電機(jī)和在使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)的情況下生成電流的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]例如在遙控開關(guān)中使用的已知的電磁能量轉(zhuǎn)換器基本上始終使用相同原理。通過帶有永磁體的電磁系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)或磁芯自身的運(yùn)動(dòng)造成在磁場(chǎng)回路內(nèi)出現(xiàn)突然的磁通量變化，由此，在靜態(tài)地置于磁芯上的線圈內(nèi)利用感應(yīng)來生成電能。系統(tǒng)在開關(guān)過程中通常使用磁場(chǎng)回路的完全的磁極逆轉(zhuǎn)。
[0003]為了在公知的系統(tǒng)中改進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)的高的噪音生成而存在用于最小化在永磁體或磁芯碰撞時(shí)的損失的理念，其與在切換過程中的摩擦損失的升高相關(guān)。此外，為了提高效率還可以利用帶有傳動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)來轉(zhuǎn)換電能。
[0004]DE 101 12 072 Al公開了一種具有操作機(jī)構(gòu)的開關(guān)元件，其通過杠桿系統(tǒng)與開關(guān)元件的能量轉(zhuǎn)換器處于有效連接，從而使操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可傳遞至能量轉(zhuǎn)換器。由此，能量轉(zhuǎn)換器將至少一部分用于操作操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此背景，本發(fā)明提供一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的改進(jìn)的感應(yīng)發(fā)電機(jī)和生成電流的改進(jìn)的方法。有利的設(shè)計(jì)方案由從屬權(quán)利要求和如下描述中得出。
[0006]在感應(yīng)發(fā)電機(jī)方面，由下列關(guān)系計(jì)算出電能:
[0007]Ee=Em-Ev
[0008]Ev= E vni+EMg+Eve
[0009]在此，適用的是:
[0010]Ee=電能
[0011]Em=機(jī)械能量
[0012]Ev=能量損失
[0013]Evm =機(jī)械能量損失
[0014]Evmg =磁性能量損失
[0015]Evei=電能損失
[0016]此處提出的創(chuàng)造性的理念基于如下認(rèn)識(shí)，即，當(dāng)對(duì)于能量轉(zhuǎn)換來說，發(fā)電機(jī)的線圈代替明顯更重的電磁系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以明顯提高感應(yīng)發(fā)電機(jī)的效率。
[0017]參見能量公式可以更明顯地看清這個(gè)觀點(diǎn)。因此，針對(duì)動(dòng)能或運(yùn)動(dòng)能量得到如下公式:
[0018]Ekin.= 0.5x m X V 2
[0019]在此，適用的是:
[0020]Ekin.=動(dòng)能
[0021]m=質(zhì)量
[0022]V =速度
[0023]按照如下方式計(jì)算出發(fā)電機(jī)的電能:
[0024]Eel.= U 2X t/R
[0025]在此，適用的是:
[0026]Eel.=電能
[0027]U =電壓
[0028]t =時(shí)間
[0029]R=電阻
[0030]V^U
[0031]因此，更有意義的是，代替關(guān)注質(zhì)量或時(shí)間的增大或電阻的降低而關(guān)注速度或電壓的升高，尤其是鑒于如下事實(shí)，即，鐵磁回路內(nèi)的磁通密度的靜磁只能自然地升高到一定程度，這是因?yàn)樽詈玫能洿挪牧弦仓荒軐?shí)現(xiàn)最多約2.4T的磁通密度。當(dāng)然最好是將磁通密度或磁場(chǎng)盡量保持得很高；然而基于成本原因，選擇1.8T - 2.0T范圍內(nèi)的磁通密度是有意義的(Fe、FeSi)。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形式，在電磁能量轉(zhuǎn)換的情況下可以決定性地改進(jìn)效率，其方法是，取消相對(duì)較重的鐵磁回路元件(即，磁性元件或磁芯)，以便在短的路徑上盡量快速地加速并在循環(huán)結(jié)束時(shí)盡量快速地制動(dòng)。
[0033]利用此處提出的理念現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)換最大部分的能量，否則這些能量會(huì)在碰撞中無用地消耗掉。附加地還可以降低噪音生成和延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的使用壽命。此處所提出的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的高的效率尤其是歸功于如下事實(shí)，即，不再需要用于加速相對(duì)難以運(yùn)動(dòng)的電磁系統(tǒng)的力。附加效果是也不用考慮線性支承可運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械損失和由相對(duì)低的固有頻率導(dǎo)致的危險(xiǎn)，即，系統(tǒng)在實(shí)際的振動(dòng)頻譜中處于不期望的共振中并且生成能量，這在遙控開關(guān)中可能導(dǎo)致生成不期望的遙控信號(hào)。
[0034]根據(jù)在此提出的方式，使磁芯完全換極是多余的。因而可以降低系統(tǒng)成本，這是因?yàn)閷?duì)磁芯所用材料或最終退火沒有特別高的要求。必須沒有或只有少量磁性損失。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形式構(gòu)造的感應(yīng)發(fā)電機(jī)不需要降低效率的傳動(dòng)裝置，并且沒有在機(jī)械上易受影響的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而是會(huì)統(tǒng)一對(duì)于尤其是用于自主遙控系統(tǒng)的最佳的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器來說重要的全部標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括小的結(jié)構(gòu)空間，高的能量密度，高的效率，短的激活路徑，小的激活力，少的噪音生成，盡量恒定的能源大小，不依賴于操作速度的功能，相對(duì)于溫度變化的耐用性，機(jī)械耐用性以及小的制造成本。
[0035]所描述的方式適應(yīng)對(duì)自主遙控系統(tǒng)不斷提高的要求，自主遙控系統(tǒng)可以以高的發(fā)射功率和多次重復(fù)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的遙控協(xié)議，例如KNX-RF，ZigBe，藍(lán)牙低功耗(BluetoothLow Energy)或W-LAN。這只能使用功率非常強(qiáng)大的發(fā)電機(jī)(0.7至2mWs)。簡(jiǎn)單擴(kuò)大公知的能量轉(zhuǎn)換器在此不是主要目標(biāo)，這是因?yàn)檫@種系統(tǒng)的可操作性基于不斷增加的操作力和尺寸以及增強(qiáng)的噪音生成而被排除或很難實(shí)現(xiàn)。下述感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以用于這種應(yīng)用領(lǐng)域，其中，在小的結(jié)構(gòu)形式的情況下需要大的能量輸出。
[0036]感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有生成永磁場(chǎng)的至少一個(gè)永磁體、引導(dǎo)永磁場(chǎng)的至少一個(gè)回流板、線圈和彈簧元件，其中，永磁體和回流板的至少一個(gè)區(qū)段通過被永磁場(chǎng)穿過的氣隙彼此分開，并且其中，線圈與彈簧元件連接并且線圈的至少一個(gè)區(qū)段可運(yùn)動(dòng)地布置在氣隙中，其特征在于，彈簧元件構(gòu)造用于根據(jù)線圈的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致線圈的至少一個(gè)區(qū)段在氣隙內(nèi)橫向于永磁場(chǎng)在氣隙之內(nèi)的磁通量的振蕩運(yùn)動(dòng)
[0037]感應(yīng)發(fā)電機(jī)或電動(dòng)發(fā)電機(jī)是一種裝置，其構(gòu)造用于利用電磁感應(yīng)生成電流或電壓。這種感應(yīng)發(fā)電機(jī)例如可以與例如用于接通和關(guān)閉照明裝置的自主遙控開關(guān)組合使用。至少一個(gè)永磁體或恒磁體例如可以具有鐵、鈷、鎳或鐵氧體或由這些金屬的多個(gè)組成的合金，并且構(gòu)造用于形成靜態(tài)磁場(chǎng)，永磁場(chǎng)。永磁體可以一體是地形成并且在對(duì)置側(cè)面具有方向相反的極，南極和北極。永磁體例如可以在對(duì)置的側(cè)面具有由導(dǎo)磁率高的材料制成的極靴。對(duì)應(yīng)于永磁體的極性，其中一個(gè)極靴可以形成北極，另一個(gè)極靴形成南極。利用極靴的幫助，由永磁體生成的磁通量能夠以限定的方式引導(dǎo)和分布。替選地，永磁體可以是多件式的并且例如由至少兩個(gè)或多個(gè)永磁體元件組成。
[0038]根據(jù)實(shí)施形式，分別代表獨(dú)立的永磁體的這兩個(gè)永磁體元件可以通過共同的連接板彼此連接。在此，這兩個(gè)永磁體元件可以保持間隔地貼靠在連接板上，從而其中一個(gè)永磁體元件的北極和另一永磁體元件的南極貼靠在連接板的表面上并且對(duì)應(yīng)于整個(gè)總體結(jié)構(gòu)地構(gòu)造出u形的永磁體。u形的永磁體的極面可以位于一個(gè)平面內(nèi)，振蕩運(yùn)動(dòng)可以平行于該平面。連接板可以構(gòu)造為平面長(zhǎng)方形的板，以便在各個(gè)永磁體元件之間最佳地引導(dǎo)磁通量?；亓靼蹇梢栽诓牧?、結(jié)構(gòu)和尺寸方面與連接板相似或與其相同，并且用于確保磁通量的環(huán)形走向。永磁體和回流板可以彼此對(duì)置地布置，其中，兩個(gè)永磁體元件的回流板和連接板例如形成由此形成的電磁系統(tǒng)的上側(cè)或下側(cè)?；谟呻姶畔到y(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)生成的環(huán)形磁通量，永磁場(chǎng)可以在氣隙內(nèi)具有兩個(gè)方向相反的磁流。
[0039]線圈可以具有由一個(gè)或多個(gè)線，例如銅線組成的繞組并且與彈簧元件連接，從而根據(jù)一個(gè)實(shí)施形式，其平行于繞組平面，根據(jù)另一實(shí)施形式，其可圍繞在繞組平面內(nèi)延伸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線偏轉(zhuǎn)地支承在至少一個(gè)氣隙內(nèi)。線圈的偏轉(zhuǎn)可以通過感應(yīng)發(fā)電機(jī)的偏轉(zhuǎn)器件實(shí)現(xiàn)，以便啟動(dòng)能夠通過彈簧元件實(shí)現(xiàn)的線圈振蕩運(yùn)動(dòng)。
[0040]振蕩運(yùn)動(dòng)可以是阻尼振動(dòng)，其強(qiáng)度根據(jù)彈簧元件的特有結(jié)構(gòu)和/或特有彈簧力，隨著時(shí)間衰減并最終消失。通過橫向于磁通量或磁流的線圈振動(dòng)可以在線圈繞組內(nèi)感應(yīng)出交流電?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)彈簧元件，它們承載線圈并且可以實(shí)現(xiàn)線圈的振蕩運(yùn)動(dòng)。彈簧元件可以是適當(dāng)?shù)貙?shí)施的彈簧，例如彎曲彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧、拉力彈簧或壓力彈簧。
[0041]根據(jù)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的實(shí)施形式，永磁體、回流板和彈簧元件端部可以固定或位置固定地固定在感應(yīng)發(fā)電機(jī)的承載結(jié)構(gòu)上。該實(shí)施形式的優(yōu)點(diǎn)是，相對(duì)較重的電磁系統(tǒng)元件尤其是可以靜態(tài)地用于生成電流，由此可以最小化噪音生成并延長(zhǎng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的使用壽命。感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)大小同樣可以更小，這是因?yàn)槌休d結(jié)構(gòu)不必承受由于加速重的磁體而帶來的負(fù)荷。承載結(jié)構(gòu)可以是感應(yīng)發(fā)電機(jī)的殼體或殼體的一部分。線圈可以通過彈簧元件可運(yùn)動(dòng)地相對(duì)于承載結(jié)構(gòu)并且因而相對(duì)于永磁場(chǎng)支承。
[0042]根據(jù)實(shí)施形式，永磁體和回流板通過氣隙彼此分開。因而在永磁體與回流板之間不能存在接觸點(diǎn)。此外，線圈可以可運(yùn)動(dòng)地布置在氣隙內(nèi)。在此，整個(gè)線圈可以位于氣隙之內(nèi)。彈簧元件可以構(gòu)造用于根據(jù)線圈的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致線圈在氣隙內(nèi)橫向于永磁場(chǎng)在氣隙之內(nèi)的磁通量的振蕩運(yùn)動(dòng)。按照有利方式，振蕩運(yùn)動(dòng)可以包括彼此反向的線圈線性運(yùn)動(dòng)。
[0043]感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以以如下方式實(shí)施，即，永磁場(chǎng)形成磁場(chǎng)回路，其磁通量從永磁體的第一極穿過氣隙的第一區(qū)段、回流板和氣隙的第二區(qū)段流至永磁體的第二極。在此，線圈的第一繞組半部布置在氣隙的第一區(qū)段內(nèi)，線圈的第二繞組半部布置在氣隙的第二區(qū)段內(nèi)。這些繞組半部可以布置在線圈的彼此對(duì)置的側(cè)面上。因此可以有利地確保的是，線圈的這兩個(gè)繞組半部承受最大強(qiáng)度的磁效應(yīng)。相應(yīng)可以在利用簡(jiǎn)單的器件生成電流時(shí)獲得高效率。
[0044]線圈的中間軸線可以平行于或近似平行于磁通量地延伸穿過氣隙的第一區(qū)段和第二區(qū)段。線圈繞組圍繞線圈中間軸線延伸，從而中間軸線可以相對(duì)于線圈的包圍繞組的繞組平面正交地取向。利用線圈相對(duì)于磁通量成直角的取向，按照有利方式可以通過振蕩運(yùn)動(dòng)在線圈繞組內(nèi)感應(yīng)出最大電壓。
[0045]根據(jù)另一實(shí)施形式，