Generator und Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie sowie System mit einem solchen Generator

German Patent DE102015113767

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.

Schiepp, Thomas (78606, Seitingen-Oberflacht, DE)
Riccardi, Leonardo, Dr. (78333, Stockach, DE)

DE102015113767A

02/23/2017

08/19/2015

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ETO MAGNETIC GmbH, 78333 (DE)

H02K35/02 H01F7/08

Patentanwälte Behrmann Wagner Partnerschaftsgesellschaft mbB, 78224, Singen, DE

1. 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.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (12, 14) in der ersten Wirkrichtung endseitig und insbesondere an einer Schmalseite des bevorzugt langgestreckt ausgebildeten Körpers (10) befestigt, bevorzugt unlösbar befestigt, vorgesehen sind.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmittel (20; 22) zum Eintragen einer Rückstellkraft in einer zur ersten Wirkrichtung orthogonalen Richtung, insbesondere in einer bei der Druck- bzw. Schubbetätigung und/oder Kompression eine Expansion erfahrenden zweiten Wirkrichtung, und/oder entgegen der ersten Wirkrichtung, insbesondere als Zugkraft, ausgebildet sind.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmittel zusätzlich zum Körper vorgesehene Aktuatormittel, Federmittel und/oder Elastomermittel aufweisen.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmittel (22) zum Ausüben einer der ersten Wirkrichtung entgegengerichteten Federkraft auf den Körper ausgebildet sind.

6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmittel als entlang einer bei der Druck- bzw. Schubbetätigung und/oder Kompression eine Expansion erfahrenden, zur ersten Wirkrichtung orthogonalen zweiten Wirkrichtung wirkende Feder (20) und/oder als den Körper zumindest abschnittsweise umschließende Druckfeder und/oder an den Körper mantelseitig angreifende Feder ausgebildet sind.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der permanentmagnetische Flusskreis mindestens eine bevorzugt metallische Flussleitbaugruppe (23 bis 26) aufweist, die so mit dem Körper verbunden ist, dass die Betätigung einen zwischen Abschnitten der magnetischen Flussleitbaugruppe gebildeten magnetflusswirksamen Luftspalt (30) verkleinert und/oder schließt, wobei bevorzugt die den Luftspalt ausbildenden Abschnitte (25, 26) bezogen auf die erste Wirkrichtung dem Körper seitlich benachbart vorgesehen sind.

8. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (30) als mechanisch wirkende/r Anschlag und/oder Hubbegrenzung für eine maximale Bewegung und/oder Kompression des Körpers ausgebildet ist.

9. Generator nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (28) in Flussleitabschnitte der Flussleitbaugruppe integriert ausgebildet sind und/oder den Körper an die Flussleitbaugruppe ankoppeln.

10. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10) als Einkristall realisiert ist und/oder eine Legierungszusammensetzung aufweist, die auf der Basis von NiMnGa zusätzlich Co und/oder Fe und/oder Cu aufweist.

11. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenmittel (18) den Körper und/oder eine den permanentmagnetischen Flusskreis außerhalb des Körpers ausbildende Flussleitbaugruppe zumindest abschnittsweise umschließend ausgebildet sind.

12. Verwendung des Generators nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zur elektrischen Energieerzeugung aus einer bevorzugt mechanischen Betätigung des Körpers so, dass eine Längenänderung des Körpers entlang der ersten Wirkrichtung weniger als 20%, bevorzugt weniger als 12%, weiter bevorzugt weniger als 7%, jeweils bezogen auf den undeformierten Zustand, bewirkt wird.

13. Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie als Reaktion auf eine Betätigung eines deformierbar ausgebildeten und zum Deformieren vorgesehenen Körpers aus einem magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterial, dem mit einem Ausgangsanschluss für erzeugte elektrische Spannung versehene Spulenmittel sowie Permanentmagnetmittel magnetisch wirksam angekoppelt zugeordnet sind, wobei die Permanentmagnetmittel so mit dem Körper magnetisch flusswirksam und zum Ausbilden eines permanentmagnetischen Flusskreises durch den Körper angeordnet und verbunden sind, dass als Reaktion auf die Betätigung ein Magnetflusswiderstand des Körpers in einer ersten Wirkrichtung abnimmt,
insbesondere Verfahren zum Betreiben des Generators nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch die Schritte:
– Ausüben einer Druck- und/oder Schubbetätigung entlang einer ersten Wirkrichtung auf den Körper und/oder Bewirken einer Kompression des Körpers in der ersten Wirkrichtung als Betätigung,
– Abgreifen einer durch die Betätigung erzeugten elektrischen Energie vom Ausgangsanschluss und
– Rückstellen des Körpers in einen undeformierten Zustand.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigen und das Rückstellen kontinuierlich, insbesondere in periodischen und/oder regelmäßigen Zeitintervallen, erfolgt.

15. System mit dem Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 sowie einem mit dem Ausgangsanschluss verbundenen oder verbindbaren elektrischen Energieverbraucher für die von dem Generator erzeugte Energie und/oder mit einem mit dem Ausgangsanschluss verbundenen oder verbindbaren elektrischen Energiespeicher für die von dem Generator erzeugte Energie.

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:

1 eine schematische Längsschnittansicht durch die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Generators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das Teilbild (a) mit schematisch eingezeichneten Magnetflusslinien einen Betriebszustand vor einer Betätigung und Teilbild (b) einen entsprechenden Betriebszustand nach der Betätigung verdeutlicht;

2 längsschnittliche Schemaansichten (hälftig geteilt) einer permanentmagnetischen Magnetflusssimulation gemäß 1, jeweils entsprechend Teilbild (a) und (b);

3 wesentliche Funktionskomponenten des erfindungsgemäßen Generators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit, bezogen auf die erste Wirkrichtung, seitlich der Spuleneinheit vorgesehenen Permanentmagnetmitteln, im unbetätigten (Teilbild (a)) und betätigten Zustand (Teilbild (b));

4 eine längsschnittlich geteilte Magnetfluss-Simulationsdarstellung analog 2 des Ausführungsbeispiels der 3;

5 eine mögliche Ausgestaltung von dem MSM-Körper zugeordneten Rückstellmitteln, welche, bezogen auf die erste Wirkrichtung, senkrecht bzw. seitlich zu dieser wirken und mit Federmitteln realisiert sind;

6 eine Darstellung des Generators mit zum Ausführungsbeispiel der 5 alternativ ausgebildeten Rückstellmitteln, hier als entlang der ersten Erstreckungsrichtung wirkenden Druckfedermitteln;

7 ein drittes konstruktives Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem MSM-Körper bzw. den Permanentmagnetmitteln zugeordneter Flussleitkreis, welcher außerhalb des MSM-Körpers einen Luftspalt ausbildet, wiederum im unbetätigten (a) und betätigten (b) Zustand;

8 eine Variante zum Ausführungsbeispiel der 7 mit in einen Zweig des Flussleitabschnitts gelagerten Permanentmagnetmitteln, wiederum unbetätigt (a) und betätigt (b);

9 eine hälftige, längsschnittliche Illustration eines simulierten magnetischen Flussverlaufs des Ausführungsbeispiels der 8 jeweils im unbetätigten (a) bzw. betätigten (b) Zustand und

10 eine Schemaansicht als weitere Variante des Generator-Ausführungsbeispiels mit Flussleitkreis, hier mit entfernt von der Spuleneinheit vorgesehenen Permanentmagneten.

Die 1 zeigt mit dem ersten schematischen Ausführungsbeispiel – und ohne dargestellte Rückstellmittel – eine praktisch wirksame Ausgestaltung der Erfindung. Ein langgestreckt und quaderartig ausgebildeter MSM-Kristallkörper 10 weist jeweils beidends Stirnflächen und dort ansitzende Permanentmagnetkörper 12, 14 auf, welche in der dargestellten Weise axial, d.h. entlang der Erstreckungs- und Längsrichtung des Körpers 10 und insoweit entsprechend der ersten Wirkrichtung, also in der Figurenebene aufwärts, magnetisiert sind, so dass, bei einem ersten angenommenen magnetischen Flusswiderstand in Teilbild (a), das permanentmagnetische Feld durch Flusslinien 16 beschreibbar ist. Weitere Komponenten des Ausführungsbeispiels, etwa eine mechanische Relativbeziehung der gezeigten Baugruppen zueinander sicherndes Gehäuse, sind aus Vereinfachungsgründen in 1 ebenso wenig gezeigt, wie die erwähnten Rückstellmittel – näheres dazu unten –, noch Anschlüsse einer Wicklung der lediglich schematisch gezeigten, den Körper 10 mantelseitig umschließenden Spuleneinheit 18.

Teilbild (b) von 1 verdeutlicht eine Veränderung des permanentmagnetischen Feld- bzw. Flussverlaufs 16´ als Reaktion auf einen entlang der Richtung des Pfeils 19 auf die obere Stirnfläche des Körpers 10 bzw. des ansitzenden Permanentmagneten 12 gerichteten Krafteintrag, welcher – in ansonsten bekannter Weise – eine Kompression des in Teilbild (a) unkomprimiert gezeigten Körpers 10 um ca. 5 bis 7% bezogen auf die unkomprimierte Länge entlang der ersten Wirkrichtung bewirkt. Die diskutierte Abhängigkeit der Permeabilität des magnetischen Formgedächtnis-Legierungsmaterials des Körpers 10 abhängig vom Kompressionszustand, erklärt die durch die Magnetflussillustration 16´ mit erhöhter Dichte symbolisierte Verstärkung des permanentmagnetischen Flusses durch den Körper 10, führt zu dem resultierenden niedrigeren magnetischen Flusswiderstand. Die Veränderung dieses Magnetflusses im Übergang von (a) zu (b), zusätzlich illustriert durch die längsschnittlich halbiert bzw. hälftig gezeigten entsprechenden Flussdarstellungen in 2, führt dann zu einem im impulsförmigen elektrischen Signal in der magnetisch angekoppelten Spuleneinheit 18, so dass diese elektrische Energie dann durch (nicht gezeigte) Ausgangsanschlüsse der Spuleneinheit nachgeschalteten Verbrauchern oder elektrischen Speichereinheiten zugeführt werden kann.

Das zur Realisierung des Körpers 10 in der gezeigten Weise (und dann auch für die weiteren Ausführungsbeispiele, wie nachstehend zu erläutern) konfigurierte MSM-Material ist dabei so ausgerichtet und bemessen, dass bei vertikaler bzw. Längsdehnung, 1(a), die sogenannte magnetisch weiche Achse (entsprechend der hohen Permeabilität) gegenüber der Achse mit geringer Permeabilität um 90° gedreht ist; entsprechend entsteht die in 1(a) und 2(a) illustrierte Konsequenz, dass die magnetische Leitfähigkeit in der ersten Wirkrichtung, d.h. in der Richtung der Permanentmagneten 12, 14, deutlich verringert ist. Sobald jedoch durch den Bewegungs- bzw. Krafteintrag 19 die Kompression (Stauchung) des MSM-Körpers 12 erfolgt, ändert sich die Orientierung der magnetisch weichen Achse so, dass diese entlang der Richtung der Permanentmagnete liegt. Dies führt im MSM-Element zu einer starken Erhöhung der permanentmagnetischen Flussdichte, was in der beschriebenen Weise in der angeordneten Spule das elektrische (Spannungs-)Signal induziert.

Die Magnetflusssimulationsdarstellungen in 2 verdeutlichen nicht nur diese vom Kompressionszustand abhängige Permeabilität, auch zeigen sie den Verlauf bzw. die Verteilung des permanentmagnetischen Flusses im MSM-Körper. Insbesondere mit der Möglichkeit, den magnetischen Flussverlauf im Körper 10 zu homogenisieren, zeigt das Ausführungsbeispiel der 3 als Alternative zur 1 eine, bezogen auf die erste Wirkrichtung, laterale bzw. seitliche Anordnung von Permanentmagnetmitteln 12´, 14´, wobei dies etwa langgestreckte Körper, alternativ auch schalenähnliche Elemente, sein können. Wiederum die zugehörigen Simulationen in 4 verdeutlichen den Einfluss auf den MSM-Körper 10. Teilbild (a) bedeutet jeweils wieder den expandierten bzw. nicht-komprimierten Zustand niedriger Permeabilität (in vertikaler Richtung), dagegen die Teilbilder (b) mit dem komprimierten Zustand den geringeren magnetischen Flusswiderstand mit der (durch die dunklere Schattierung symbolisiert) entsprechend höheren magnetischen Flussdichte im Körper (in vertikaler Richtung).

Anhand der 5 und 6 werden exemplarische Möglichkeiten diskutiert, wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele um mechanisch wirkende Rückstellmittel, hier geeignete Federn, ergänzt werden können. Dabei stellt das mechanische Rücksetzen lediglich eine Variante der Rückstellung (d.h. des Zurückführens in den nicht-komprimierten Expansionszustand) dar; alternativ oder ergänzend kann ein Rückstellen bzw. das Dehnen des MSM-Körpers auch durch z.B. ein weiteres, horizontal eingebrachtes Magnetfeld erfolgen, welches dann wiederum durch Permanentmagneten oder geeignet dann zum Rückstellen aktivierbare zusätzliche Spulenmittel realisiert sein kann.

Im Ausführungsbeispiel der 5 wirken entlang einer zweiten Wirkrichtung (in der Figurenebene horizontal verlaufend und damit orthogonal zur ersten Wirkrichtung) angreifende Federmittel 20 auf den Körper 10 und stellen diesen nach einer Kompression durch die Betätigung wieder in die expandierte Stellung zurück. Dieses Rückstellen basiert auf der Eigenschaft, dass die vorbeschriebene Kompression (etwa entsprechend Pfeilrichtung 19) eine Ausdehnung entlang der Querrichtung (d.h. der zweiten Wirkrichtung) erzeugt, entgegen welcher dann die Federmittel 20 zurückstellend und den Körper vertikal expandierend wirken.

Ergänzend oder alternativ zeigt dagegen das Ausführungsbeispiel der 6 mit der dort schematisch gezeigten Spiralfeder 22 als Federmittel, dass die expandierende Federkraft entlang der ersten Wirkrichtung, entgegen der Richtung der Kompression, wirkt, insoweit dann eine betätigende Bewegung bzw. ein betätigender Krafteintrag entlang Pfeil 19 (1(b)) die entgegenwirkende Federkraft der Feder 22 erhöht und ein Rückstellen durch diese Federkraft ermöglicht.

Die Varianten der 5 und 6 sind als rein exemplarisch zu verstehen. So ist etwa das Federn bzw. Drücken zur Wiederexpansion, neben den gezeigten Federn, auch durch ein Elastomer oder dgl. realisierbar, wie auch, wiederum alternativ, durch einen weiteren, geeignet zugeordneten und auf die Anordnung wirkenden Aktor. Gerade bei Verwendung der mechanischen Rückstellung gestattet die vorliegende Erfindung für den Körper 10 das Verwenden von MSM-Materialien, die aufgrund schlechter Beweglichkeit der Zwillingsgrenzen im Metall allein durch das Magnetfeld nicht gedehnt werden können. Entsprechend ist es möglich, speziell Materialien mit größerer Dehnung einzusetzen, da diese auch einen stärkeren Effekt durch die damit verbundene größere Abstandsänderung (Hub) der Permanentmagnete bewirken.

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 5, 6 hinaus, ist das Verwenden eines thermischen Prinzips. Da viele magnetische Formgedächtnis-Legierungsmaterialien sich (auch) wie eine thermische Formgedächtnislegierung verhalten, kann ein gezieltes Einbringen oder Abführen von Wärme, bezogen auf den MSM-Kristall, eingesetzt werden, um ein Rückstellen in eine unkomprimierte, expandierte Ausgangslage zu bewirken.

Die 7 bis 10 verdeutlichen eine weitere bevorzugte Realisierungsform der Erfindung, bei welcher dem MSM-Körper 10 ein zusätzlicher, aus einem geeigneten Magnetfluss leitenden Metall gebildeter Flussleitkreis bestehend aus geeigneten Flussleitbaugruppen wie stirnseitigen Baugruppen 23, 24 oder schenkelartigen Baugruppen 25, 26 zugeordnet sein kann. Die 7 und 8 verdeutlichen derartige Möglichkeiten, wobei hier dann beidends der stirnseitigen Baugruppen 23, 24 Schenkelelemente 25, 26 seitlich und die Spuleneinheit 18 umschließend verlaufen. Gezeigt ist, wie im unkomprimierten, expandierten Zustand der 7(a) bzw. 8(a) Abschnitte 25, 26 mit zentrisch (12) oder endseitig ansitzenden Permanentmagneten 28 einen einen Magnetflusswiderstand bildenden Luftspalt 30 aufspannen, der, entsprechend der mechanischen Ankopplung an den Körper 10, im komprimierten Zustand gemäß Teilbildern (b) geschlossen wird und, gemäß den Magnetflussdarstellungen zu 8 in 9 entsprechend (a) und (b) den Flusswiderstand am Spalt damit deutlich reduziert.

Wiederum vorteilhafte Wirkung ist das Verstärken des induzierten Impulses in der Spule 18, wobei ein zusätzlicher – mechanischer – Effekt der gezeigten Anordnung mit Luftspalt 30 darin besteht, dass dieser, beim Komprimieren gemäß Teilbildern (b) und damit im geschlossenen Zustand einen faktischen Anschlag bzw. ein mechanisches Widerlager zwischen den aufeinandergerichteten Schenkeln 25, 26 (mit zwischenliegendem Magnetkörper 28 in 8) bildet. Insoweit gestattet etwa die gezeigte Anordnung das Ausbilden bzw. Einstellen eines maximalen Kompressionshubes des Körpers 10, welcher, über die Anschlagstellung von (b) hinaus, nicht weiter komprimiert werden kann.

Die 10 zeigt, als Variante zum Ausführungsbeispiel insbesondere der 8, wie die in seitlichen Schenkelabschnitten des Flussleitkreises integrierten Permanentmagneten 28 außerhalb einer seitlichen Überdeckung mit der Spuleneinheit 18 gebracht werden. Vorteilhafte Wirkung dieser Maßnahme ist, dass die Streufeldänderung einen geringen Einfluss auf die Spule ausweist und damit eine unmittelbare magnetische Verkopplung zwischen den Permanentmagneten 28 und der Spuleneinheit 18 vermindert wird, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung in der elektrischen Stromerzeugung weiter erhöht.

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 10 umschließende Spuleneinheit, dies ist jedoch, insbesondere im Fall des in den 7 bis 10 gezeigten Flussleitkreises mittels geeigneter Flussleitkomponenten ebenso wenig notwendig, wobei eine oder mehrere Einzelspulen dann auch auf stirnseitigen oder Schenkelabschnitten eines solchen Flussleitkreises ausgebildet sein können. Auch ist es zwar bevorzugt, zur Minimierung mechanischer Belastung die Permanentmagnetmittel stationär bzw. unbewegt und unbeweglich vorzusehen, es sind jedoch auch hiervon Abweichungen möglich und erfindungsgemäß umfasst.