Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie als Reaktion auf eine Betätigung, insbesondere mechanische Betätigung, eines deformierbar ausgebildeten und zum Deformieren vorgesehenen Körpers (10) aus einem magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial,
dem mit einem Ausgangsanschluss für erzeugte elektrische Spannung versehene Spulenmittel (18) sowie Permanentmagnetmittel (12, 14; 28) magnetisch wirksam angekoppelt zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zum Deformieren auf den Körper wirkende Betätigung (19) eine Druck- und/oder Schubbetätigung entlang einer ersten Wirkrichtung ist und/oder eine Kompression des Körpers in der ersten Wirkrichtung bewirkt,
die Permanentmagnetmittel so mit dem Körper magnetisch flusswirksam und zum Ausbilden eines permanentmagnetischen Flusskreises (16; 16´) durch den Körper angeordnet und verbunden sind, dass als Reaktion auf die Druck- bzw. Schubbetätigung und/oder die Kompression ein Magnetflusswiderstand des Körpers in der ersten Wirkrichtung sowie bevorzugt ein Magnetflusswiderstand im Flusskreis außerhalb des Körpers abnimmt,
wobei dem Körper Rückstellmittel (20; 22) zum Verbringen des Körpers in einen undeformierten Zustand zugeordnet sind, die bevorzugt als Reaktion auf dieselbe oder eine weitere mechanische Betätigung und/oder eine magnetische und/oder thermische Betätigung des Körpers wirken.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie als Reaktion auf eine Betätigung eines deformierbar ausgebildeten und vorgesehenen Körpers aus einem mechanischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie durch Betätigung eines derartig ausgebildeten Körpers, und die Erfindung betrifft ein System unter Nutzung einer derartigen Generators.
Aus dem Stand der Technik ist es als allgemein bekannt vorauszusetzen, magnetische Formgedächtnis-Legierungsmaterialien (MSM = magnetic shape memory) für Aktuator- bzw. mechanische Stellzwecke einzusetzen. Diesbezüglich wird dann, etwa zum Bewirken einer einem jeweiligen Stell- oder Bewegungszweck zugeordneten Expansion eines üblicherweise als langgestreckter Kristall ausgebildeten MSM-Körpers, diesem eine Spuleneinheit zum Erzeugen eines elektromagnetischen Flusses durch den MSM-Körper zugeordnet, so dass als Reaktion auf eine Bestromung dieser Spuleneinheit in ansonsten bekannter Weise eine Expansion des Körpers, welcher dann mit einem geeigneten Stellpartner mechanisch gekoppelt werden kann, bewirkt wird.
Ferner ist es als aus dem Stand der Technik allgemein bekannt vorauszusetzen, kompakte elektrische Energiegeneratoren zum Zweck des sogenannten energy harvesting einzusetzen, mit dem Zweck, aus Umgebungsquellen wie Umgebungstemperatur, Bewegungen, Vibrationen, Luftströmungen od.dgl. elektrische Energie zu erzeugen, etwa auch angekoppelt an Bekleidungsstücke, Schuhe od.dgl. Derartige, üblicherweise kompakt ausgebildete und auch als sog. Nanogeneratoren bekannte Vorrichtungen basieren auf dem Prinzip, kleine (mechanische) Bewegungen, welche etwa auf einen magnetischen Körper wie einen Permanentmagneten, wirken, dadurch in elektrische Energie umzusetzen, dass dieser Permanentmagnetkörper durch die mechanische Bewegung in einer umgebenden Spule einen bewegungsabhängigen Stromfluss induziert, welcher dann wiederum von nachgeschalteten Verbrauchern oder Energiespeichern verwertet werden kann.
Nachteil derartiger Nanogeneratoren ist jedoch ein in der Regel sehr geringer Wirkungsgrad in der elektrischen Energieerzeugung, mit der Konsequenz, dass gerade miniaturisierte Generatorvorrichtungen häufig unzureichend für übliche mobile oder portable Energieversorgungszwecke sind. Hinzu kommt das Problem komplexer mechanischer Realisierung, etwa einer Lagerung bzw. Führung des Magnetkörpers innerhalb einer umgebenden Spule und einer notwendigen mechanischen Bewegungsankopplung zum Antreiben dieses Körpers.
Eine prinzipielle Eignung von magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterialien nicht nur für die Aktuatorik, hier setzt sich für gewisse Einsatzgebiete diese Technologie mittlerweile durch, sondern auch zum Zweck der Energieerzeugung wird in Ansätzen wissenschaftlich diskutiert. Diese prinzipielle Eignung basiert auf dem Umstand, dass ein als Aktuator eingerichteter MSM-Körper innerhalb einer umgebenden Spule eine elektrische Spannung dann induziert, wenn ein durch den MSM-Körper fließender magnetischer Fluss eine durch die Betätigung (also etwa mechanische Längenänderung) bewirkte Flusswiderstandsänderung erfährt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn dem MSM-Körper ein magnetischer Flusserzeuger in Form eines Permanentmagneten so zugeordnet ist, dass ein (Permanent-)Magnetfluss des Permanentmagneten durch den Körper fließt. Allerdings sind dies rein theoretische Erwägungen; weder existiert ein konkretes konstruktiv-mechanisches Prinzip zum Realisieren eines elektrischen Energiegenerators mittels eines MSM-Körpers, noch ist eine für einen konkreten Generatoreinsatz im Rahmen von elektrischer Energiegewinnung aus mechanischen und anderen Umwelteinflüssen nutz- und einsetzbare Technologie bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie als Reaktion auf eine Betätigung eines deformierbar ausgebildeten und zum Deformieren vorgesehenen Körpers aus einem magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial zu schaffen, welcher einfach, mit geringem konstruktiv-mechanischem Aufwand, großserientauglich und mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar ist, dabei insbesondere die Eignung für eine Vielzahl von mechanischen und anderen (etwa thermischen) Betätigungsformen aufweist und die Möglichkeit zur Miniaturisierung schafft, so dass insbesondere auch Kleinleistungen aus Bewegungen od.dgl. Umwelteinflüssen von Menschen, auch im Zusammenhang mit Kleidung oder Schuhwerk, zum Zweck des energy harvesing und/oder als Nanogenerator realisierbar sind. Ferner ist ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach dem Hauptanspruch gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch das Verfahren nach dem unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst, wobei die Ausgestaltung dieses Verfahrens als Verfahren zum Betreiben des Generators gemäß Hauptanspruch zwar bevorzugt ist, jedoch nicht den Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Generators im Zusammenhang mit Kleinleistungen nach dem unabhängigen Patentanspruch 12 gelöst, und es wird im Rahmen der Erfindung Schutz beansprucht für ein System unter Nutzung bzw. Einsatz des hauptanspruchsgemäßen Generators sowie allfälligen Weiterbildungen.
Dabei bilden die abhängigen Patentansprüche den unabhängigen Erzeugnisanspruch weiter, sollen jedoch auch analog die jeweiligen weiteren Lösungen gemäß der Nebenansprüche weiterbilden.
In vorteilhafter Weise nutzt der erfindungsgemäße Generator (analog die Gegenstände der weiteren unabhängigen Patentansprüche) den mit den Materialeigenschaften des MSM-Materials verbundenen Effekt, dass die magnetische Leitfähigkeit (Permeabilität) des magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterials eine hohe Richtungsabhängigkeit (Isotropie) aufweist, wobei eine den Körper deformierende Betätigung dann diese magnetische Leitfähigkeit signifikant ändert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dies durch die vorgesehene Druck- und/oder Schubbetätigung bzw. Kompression des Körpers entlang der ersten erfindungsgemäßen Wirkrichtung umgesetzt, wobei diese Wirkrichtung die Richtung des Betätigungseintrags an bzw. auf den Körper beschreibt und in der beschriebenen Weise die Permeabilität als Reaktion auf die Betätigung ändert. Erfindungsgemäß vorteilhaft wird zusätzlich die Eigenschaft von MSM-Materialien ausgenutzt, dass diese Betätigung, verbunden mit der Änderung der Permeabilität, mit vergleichsweise geringem Krafteintrag reversibel geändert werden kann.
Im Rahmen der Erfindung werden daher die Permanentmagnetmittel, also etwa ein aus einem Permanentmagnetmaterial gebildeter Körper, so mit dem MSM-Körper magnetisch flusswirksam verbunden, dass ein permanentmagnetischer Flusskreis durch den MSM-Körper realisiert ist. Dieser permanentmagnetische Flusskreis erfährt dann in der beschriebenen Weise als Reaktion auf die Betätigung eine Änderung des Magnetflusswiderstands, so dass, wiederum als Reaktion auf die damit verbundene magnetische Flussänderung im Flusskreis, die dem MSM-Körper zugeordneten Spulenmittel einen der Betätigung entsprechenden Energieeintrag erfahren, wobei die elektrische Energie dann über die Spulen-Ausgangsanschlüsse zur weiteren Nutzung bereitsteht.
Zusätzlich erfindungsgemäß sind dem MSM-Körper Rückstellmittel zugeordnet, welche, nach Beendigung der die Deformation des Körpers bewirkenden Betätigung, diesen in den undeformierten Zustand zurückführen, so dass dann eine erneute energieerzeugende Betätigung erfolgen kann.
Es wird deutlich, dass etwa gegenüber einem bekannten, in einer Spule bewegbar gelagerten Permanentmagneten zur Energieerzeugung, eine solche erfindungsgemäße Vorgehensweise zahlreiche Vorteile aufweist: Zum einen steigt der Wirkungsgrad einer Umsetzung der (z.B. mechanischen) Betätigung in elektrische Energie signifikant durch den Effekt der mit dem MSM-Material verbundenen Permeabilitätsänderung. Zum anderen ist auch ein mechanischer Vorteil realisiert, nämlich dadurch, dass der MSM-Körper, etwa relativ zu den Spulenmitteln, nicht etwa frei beweglich geführt oder gelagert sein muss, vielmehr erfährt der erfindungsgemäße, zum Deformieren eingerichtete und angeordnete MSM-Körper lediglich eine Deformation (typischerweise Kompression) entlang der ersten Wirkrichtung, mit einer nachfolgenden Expansion durch die Rückstellmittel, mit anderen Worten, einends befindet sich der MSM-Körper in einer mechanisch festen Zuordnung und Relativbeziehung zu benachbarten und/oder umgebenen Aggregaten, wie etwa den Spulenmitteln.
Es wird ferner deutlich, dass das hauptanspruchsgemäße Erfindungsprinzip eine Vielzahl von Varianten zulässt, wobei die Unteransprüche insoweit lediglich bevorzugte Weiterbildungen und Realisierungsformen darlegen.
So ist es etwa konstruktiv und im Hinblick auf eine einfache Miniaturisierung und Herstellbarkeit bevorzugt, die Permanentmagnetmittel (weiter bevorzugt in der Realisierung als dimensionsmäßig an den MSM-Körper angepasster Permanentmagnetkörper) in der ersten Wirkrichtung ein- oder beidends endseitig an dem MSM-Körper vorzusehen, wobei gemäß dieser Realisierungsform der MSM-Körper günstig langgestreckt ausgestaltet ist und dann mindestens eine Schmalseite die Möglichkeit zum Anbringen des Permanentmagneten anbietet, insbesondere auch durch Kleben oder andere mechanisch einfache und für Serienfertigung taugliche Verbindungsverfahren.
Alternativ oder ergänzend können die Permanentmagnetmittel auch in erfindungsgemäß weiterbildende Flussleitabschnitte integriert oder an diese angekoppelt sein, ohne dass eine (unmittelbare) mechanische Kopplung an den MSM-Körper vorliegen muss. Diese Realisierung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dem MSM-Körper eine Flussleitbaugruppe – etwa aus geeignetem magnetflussleitenden Metallmaterial – zugeordnet ist, welche den permanentmagnetischen Flusskreis bestimmt und geeignet an jeweilige Dimensions- und Einsatzzwecke angepasst werden kann.
Insbesondere eine derartige mechanische Flusskreisanordnung (Flussleitbaugruppe) für den (MSM-)Körper bietet zudem die Möglichkeit zur Realisierung eines zusätzlichen, effizienzerhöhenden Vorteils der vorliegenden Erfindung, nämlich das Realisieren eines abnehmenden Magnetflusswiderstandes bei der Betätigung nicht nur innerhalb des (MSM-)Körpers entlang der ersten Wirkrichtung, sondern auch außerhalb des Körpers: Wenn nämlich etwa durch die Betätigung und die damit verbundene Kompression des MSM-Körpers gleichermaßen ein Magnetfluss-Widerstandswirksamer Abschnitt des permanentmagnetischen Flusskreises außerhalb des MSM-Körpers verändert wird (also bevorzugt verringert wird), vergrößert sich die durch die Betätigung bedingte Änderung des (permanentmagnetischen) Flusses im Flusskreis, mit der entsprechenden Auswirkung auf die Energieerzeugung in der Spule. Im konkreten Beispiel kann dieser Effekt erreicht werden durch einen mit der weiterbildungsgemäßen Flussleitbaugruppe realisierten Luftspalt, welcher so ausgestaltet ist, dass die Kompression bzw. Deformation des Körpers als Reaktion auf die Betätigung dann diesen Luftspalt widerstandswirksam vermindert oder gar schließt. Zusätzlicher vorteilhafter Effekt ist, dass bei geeigneter mechanischer Ausgestaltung zugehöriger Flusskreiskomponenten außerhalb des MSM-Körpers auf diese Weise auch eine wirksame mechanische Hubbegrenzung in Form eines Anschlags oder Widerlagers realisiert werden kann.
Auch die erfindungsgemäß dem MSM-Körper zugeordneten Rückstellmittel zum Verbringen desselben in den undeformierten Zustand lassen eine Vielzahl von Varianten und Ausführungsformen zu. Bevorzugt ist es insbesondere, diese Rückstellmittel in Form von zusätzlich zum Körper vorgesehenen und diesem zugeordneten Aktuatormitteln, Federmitteln und/oder Elastomermitteln zu realisieren, wobei es sogar möglich ist, die (gesonderten) als Rückstellmittel wirkenden Aktuatormittel mittels Formgedächtnis-Legierungsmaterial auszugestalten, welches magnetisch und/oder thermisch wirken kann.
Im praktischen Einsatz, insbesondere im Zusammenhang mit Nanogeneratoren, dürfte gleichwohl eine Feder- oder Elastomer-basierte Rückstellung gebräuchlicher werden. So ist es einerseits vorteilhaft weiterbildend vorgesehen, derartige rückstellende Federmittel so anzuordnen und auszugestalten, dass diese eine der ersten Wirkrichtung entgegengesetzte Federkraft auf dem Körper ausüben, mit anderen Worten, bei Ausgestaltung der Betätigung als komprimierende Druckkraft dann den MSM-Körper auseinanderziehen.
Eine ergänzende oder alternative Ausgestaltung der Federmittel sieht vor, dass diese nicht entlang der ersten Wirkrichtung (welche typischerweise auch einer Längs-Erstreckungsrichtung eines bevorzugt langgestreckt ausgebildeten MSM-Kristalls als Körper entspricht) wirken, vielmehr die Federkraft entlang einer zweiten Wirkrichtung senkrecht zur ersten Wirkrichtung eingetragen wird. Entsprechend den üblichen Eigenschaften des MSM-Materials führt nämlich eine Kompression entlang der ersten Wirkrichtung zu einer Expansion des MSM-Kristallmaterials entlang der zur ersten Wirkrichtung senkrecht verlaufenden zweiten Wirkrichtung, welche weiterbildungsgemäß dann, reversibel, einen Ansatz für das Zurückstellen durch Rückstellbetätigung entlang dieser zweiten Wirkrichtung ermöglicht. In der weiteren mechanisch-praktischen Konkretisierung lässt sich dieser Effekt auch realisieren, indem eine geeignet die Rückstellmittel realisierende Feder eine mantelseitig angreifende Druckfeder ist und/oder eine Feder den (z.B. zylindrisch ausgebildeten) Körper zumindest abschnittsweise so umschließt, dass eine Expansion in der zweiten Wirkrichtung geeignet federkraftbeaufschlagt ist.
Eine weitere, im Rahmen der Erfindung mögliche Realisierung der Rückstellmittel, für sich oder in Verbindung mit den vorstehend diskutierten mechanischen Rückstellmitteln, kann thermische Effekte ausnutzen, dadurch, dass thermische Rückstellmittel gezielt Wärme in den MSM-Körper eintragen bzw. von diesem Abführen. Da bei magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterialien, je nach Zusammensetzung der Legierung, bereits bei niedrigen Temperaturen von ca. 50° die Permeabilität stark abnehmen kann, ist durch das Einbringen geringer Wärme eine hohe Magnetfeldänderung zu erreichen, begleitet von dem Effekt, dass bei typischem thermischem Expansionsverhalten einer MSM-Legierung bei Wärmeeintrag dann auch die Rückstellung durch diese thermischen Effekte erfolgen kann.
Während es zudem im Rahmen konstruktiv besonders einfacher Realisierungsformen der Erfindung bevorzugt ist, die Spulenmittel dem MSM-Körper unmittelbar zuzuordnen, etwa eine Spule den MSM-Körper umgebend vorzusehen, ist es gleichwohl alternativ oder ergänzend im Rahmen von Weiterbildungen der Erfindung günstig, die erfindungsgemäßen Spulenmittel an anderer Stelle in den magnetischen Flusskreis einzukoppeln bzw. diesem Flusskreis zuzuordnen. Im Fall der oben beschriebenen weiterbildungsgemäß günstigen Flussleitbaugruppe mithilfe geeigneter magnetflussleitender Komponenten kann dann etwa die Spule geeignete Abschnitte, Arme, Streben od.dgl. derartiger Flussleitbaugruppen magnetisch und energetisch wirksam umschließen.
Während sich die vorliegende Erfindung besonders eignet, miniaturisierte elektrische Energiegeneratoren auszugestalten und für eine Vielzahl möglicher Betätigungen vorzusehen, ist die vorliegende Erfindung gleichwohl nicht auf diesen verwendungsgemäß bevorzugten Einsatzbereich beschränkt, sondern eignet sich für nahezu beliebige Dimensionierungen, Größenordnungen und Einsatzgebiete, bei welchen eine bevorzugt jedoch nicht notwendigerweise mechanische Betätigung des MSM-Körpers die vorbeschriebenen Effekte energiewirksam auslöst. Insoweit werden dann die Dimensionsgrenzen ausschließlich von der Realisierbarkeit entsprechend großer bzw. kleiner MSM-Körper bestimmt, wobei im Rahmen der Erfindung der Begriff des „Körpers“ nicht notwendigerweise einen einzelnen MSM-Körper oder ein Einzelkristall bedeutet, sondern auch eine miteinander verbundene Mehrkörper-Anordnung oder Mehrkristall-Anordnung bedeuten kann.
Das ferner erfindungsgemäß beanspruchte System basiert auf der Erkenntnis, dass das Erfindungsprinzip besonders elegant durch Kombination mit einem nachgeschalteten Verbraucher und/oder einem nachgeschalteten Energiespeicher realisiert werden kann, wobei auch hier die jeweiligen Varianten und Realisierungsformen beliebig sind. So kann als unmittelbar zugeordneter Energiespeicher im Rahmen der Erfindung neben elektrischen Kapazitäten insbesondere auch ein Akku od.dgl. wirken, entsprechend einem vorzusehenden energetischen Versorgungszweck.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Die
Teilbild (b) von
Das zur Realisierung des Körpers
Die Magnetflusssimulationsdarstellungen in
Anhand der
Im Ausführungsbeispiel der
Ergänzend oder alternativ zeigt dagegen das Ausführungsbeispiel der
Die Varianten der
Auch kann eine höhere Gegenkraft (Twinning Stress) von Vorteil sein, und es ergibt sich die Möglichkeit zur Variation der Einsatz- bzw. Betriebstemperatur, da MSM-Legierungen vorstellbar sind, die bei höheren Temperaturen dehn- bzw. komprimierbar sind, jedoch magnetisch nicht aktuiert werden können.
Weiterhin möglich für das Rückstellen, über die Ausführungsbeispiele der
Die
Wiederum vorteilhafte Wirkung ist das Verstärken des induzierten Impulses in der Spule
Die
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So sind die gezeigten Varianten in der Relativzuordnung zwischen einem oder mehreren permanentmagnetischen Baugruppen relativ zu einem (alternativ auch mehreren) MSM-Körper(n) als rein exemplarisch und nicht erschöpfend anzusehen. Auch zeigen die gezeigten Ausführungsbeispiele stets eine den MSM-Körper