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WO2021074245A1 - Elektromagnetischer energiewandler - Google Patents

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WO2021074245A1
WO2021074245A1 PCT/EP2020/078948 EP2020078948W WO2021074245A1 WO 2021074245 A1 WO2021074245 A1 WO 2021074245A1 EP 2020078948 W EP2020078948 W EP 2020078948W WO 2021074245 A1 WO2021074245 A1 WO 2021074245A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ferromagnetic element
energy converter
ferromagnetic
magnetic
permanent magnet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2020/078948
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Klausnitzer
Frank Schmidt
Dmitry Yudnikov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Enocean GmbH
Original Assignee
Enocean GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enocean GmbH filed Critical Enocean GmbH
Priority to EP20792631.2A priority Critical patent/EP4046262A1/de
Priority to US17/768,070 priority patent/US12119193B2/en
Priority to JP2022522383A priority patent/JP7450293B2/ja
Priority to CN202080082180.6A priority patent/CN114762230A/zh
Priority to KR1020227015603A priority patent/KR102765623B1/ko
Publication of WO2021074245A1 publication Critical patent/WO2021074245A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H50/16—Magnetic circuit arrangements
    • H01H50/36—Stationary parts of magnetic circuit, e.g. yoke
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/04—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving coil systems and stationary magnets
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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
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    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic energy converter for a radio switch or for electronic control devices.
  • radio switches or control devices can send information by radio over short distances (typically less than 200 meters range in buildings and less than 20 km range outside of buildings).
  • Such devices include, in particular, radio switches, radio buttons, remote controls and other radio signal transmitters that are stimulated to transmit radio signals by manual actuation or mechanical movement of objects.
  • the electrical energy is advantageously obtained from the mechanical actuation itself in order to enable maintenance-free operation without changing batteries or periodic battery charging.
  • electromechanical energy converters are used, which convert mechanical energy into electrical energy, store it for a short time and thus enable the devices to operate independently of energy.
  • this object is achieved by an electromagnetic energy converter of the type described below. Further advantageous configurations and developments are disclosed in the patent claims.
  • the electromagnetic energy converter is intended in particular for a radio switch.
  • the energy converter has magnetic components for generating a magnetic circuit.
  • the magnetic components include at least one permanent magnet and at least one ferromagnetic element.
  • the energy converter has at least one electrical coil.
  • the permanent magnet and / or the ferromagnetic element can each be moved between two extreme positions.
  • the movement of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element between the extreme positions leads to a reversal of direction of a magnetic flux in the magnetic circuit.
  • the magnetic flux is at least partially enclosed by the coil. This has the technical effect that electrical energy is induced in the coil.
  • At least one of the extreme positions of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element configured as a non-contact extreme position at which at least two of the magnetic components do not touch. This means that in the contactless extreme position a distance is formed between at least two of the magnetic components, so that there is no direct contact or no direct contact between the two magnetic components. This has the technical effect that the magnetic circuit is completely closed at at least one point via non-ferromagnetic matter.
  • at least one other extreme position is also designed as a contactless extreme position of the type explained. In these embodiments there are therefore at least two contactless extreme positions. In further alternative embodiments, all extreme positions are contactless extreme positions.
  • “Touching" the magnetic components herein means direct touching or direct contact between the magnetic components without interposing or interim storage or intercoupling of other substances.
  • a non-contact extreme position is configured in at least one of the extreme positions of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element. At this contactless extreme position, at least two of the magnetic components do not touch each other, so that the magnetic circuit is completely closed at at least one point via non-ferromagnetic matter.
  • one or more other extreme positions are configured in this at least one of the extreme positions of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element, which differ from the contactless extreme position and at which at least two of the magnetic components are in contact.
  • the ferromagnetic element and the permanent magnet can be moved relative to one another.
  • the ferromagnetic element and the permanent magnet are fixed relative to one another, but configured to be movable with respect to other magnetic components and / or to the coil of the energy converter.
  • only the ferromagnetic element is movable between the two extreme positions, which leads to a reversal of the direction of the magnetic flux in the magnetic circuit.
  • only the permanent magnet is movable between the two extreme positions, which leads to a reversal of the direction of the magnetic flux in the magnetic circuit.
  • both the ferromagnetic element and the permanent magnet are in each case between the two extreme positions (two extreme positions of the ferromagnetic element and two extreme positions of the permanent magnet), which leads to a reversal of the direction of the magnetic flux in the magnetic circuit.
  • the (at least one) non-contact extreme position is formed by an air gap between the two magnetic components that are not in contact.
  • the air gap thus forms a distance between the non-touching magnetic components in a simple manner.
  • the magnetic circuit also remains closed through the air gap, with a magnetic flux taking place through the air gap, although the two non-touching magnetic components are completely non-contacting at the non-contact extreme position.
  • the (at least one) non-contact extreme position is formed by a non-ferromagnetic material (other than air) which is at least partially arranged between the two non-contacting magnetic components.
  • the non-ferromagnetic material is a plastic, for example.
  • the non-ferromagnetic material thus at least partially fills a distance between the non-touching magnetic components in such a way that the magnetic components are completely non-contacting at the non-contact extreme position.
  • the magnetic circuit remains closed even in this configuration, with a magnetic flux taking place through the non-ferromagnetic material.
  • At least one contactless extreme position is formed by an air gap and at least one other non-contact extreme position through a non-ferromagnetic material.
  • the movement is a rotary movement about an axis of rotation with a defined angle of rotation.
  • the angle of rotation defines the extreme positions.
  • the configuration of the movement as a rotary movement applies to the
  • the angle of rotation advantageously defines a circle segment ⁇ 360 °, the outer limits of which are the two extreme positions of the permanent magnet or the ferromagnetic element.
  • a rotary movement allows a movement about an axis of rotation or suspension or bearing point of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element, whereby a compact design can be realized.
  • the angle of rotation is less than 30 °, in particular less than 10 °, in particular between 1 ° and 10 °. This enables a particularly compact or flat design of the energy converter because only small or small movements are carried out.
  • the energy converter also has a spring element which is force-coupled to the ferromagnetic element and / or to the permanent magnet.
  • a spring force can be generated for releasing the ferromagnetic element and / or the permanent magnet from one of the two extreme positions against a magnetic holding force.
  • the spring element causes the movable magnetic components to be pretensioned, with at If the magnetic holding force is exceeded, the movable magnetic components snap suddenly from the assumed extreme position to the other extreme position, which results in a particularly rapid reversal of the direction of the magnetic flux. This strong change in the magnetic flux in a very short time causes a particularly high induction of electrical energy in the coil and improves the energy conversion.
  • the ferromagnetic element is set up as the first ferromagnetic element, the magnetic components including a second ferromagnetic element.
  • the first ferromagnetic element has a base section and two legs formed thereon and is magnetically coupled to the coil at the base section.
  • the second ferromagnetic element is magnetically coupled to the permanent magnet and extends in a region of the two legs of the first ferromagnetic element.
  • the second ferromagnetic element is longer than a distance between the legs of the first ferromagnetic element, as a result of which the second ferromagnetic element at least partially overlaps in a respective overlap area with the legs of the first ferromagnetic element for magnetic coupling.
  • the second ferromagnetic element projects on a side facing the base section of the first ferromagnetic element in the respective overlap area towards the base section of the first ferromagnetic element. This skillful shaping of the geometry of the second ferromagnetic element enables an increase in the overlap area of a magnetic coupling and thus an increase in the useful magnetic flux.
  • the second ferromagnetic element stands on a side remote from the base section of the first ferromagnetic element in an area beyond the legs of the first ferromagnetic element and has truncated corners in this area.
  • This skillful shaping of the geometry of the second ferromagnetic element enables the parasitic magnetic flux to be minimized.
  • the truncated corners are, for example, angled or radial corners or corners that are otherwise reduced in area in relation to a right angle.
  • the magnetic components include a third ferromagnetic element.
  • the third ferromagnetic element is magnetically coupled to the permanent magnet.
  • the first ferromagnetic element can be moved between the two extreme positions.
  • the first ferromagnetic element strikes in one of the two extreme positions with one of the two legs on the second ferromagnetic element, a distance being formed between the other of the two legs and the third ferromagnetic element.
  • the first ferromagnetic element strikes in the other of the two extreme positions with the other of the two legs on the second ferromagnetic element, a distance being formed between the one of the two legs and the third ferromagnetic element.
  • the polarity of the first ferromagnetic element is reversed magnetically by alternately striking, ie contacting, one or the other leg on or with the second ferromagnetic element, which in turn is magnetically coupled to the permanent magnet.
  • the respective other leg which is spaced apart from the third ferromagnetic element in these two extreme positions of the first ferromagnetic element, thus has a contactless extreme position.
  • one limb of the first ferromagnetic element always comes into contact with the second ferromagnetic element in the respective extreme position, while the other limb assumes a non-contact extreme position at a distance from the third ferromagnetic element.
  • the third ferromagnetic element extends in an area of the two legs of the first ferromagnetic element, the third ferromagnetic element being shorter than a distance between the legs of the first ferromagnetic element, so that the third ferromagnetic element with the thighs of the first ferromagnetic element does not overlap. In this way, a respective distance between a respective leg of the first ferromagnetic element and the third ferromagnetic element can be constructed in a simple manner.
  • the distance between the respective leg and the third ferromagnetic element is implemented by an air gap or by non-ferromagnetic material, in particular of the type explained above. In various embodiments or further developments of the energy converter, a distance is formed between the third ferromagnetic element and the permanent magnet.
  • This distance is permanent, i.e. it is formed independently of the extreme positions of the permanent magnet and / or the ferromagnetic element. In some embodiments, this distance is realized by an air gap or by non-ferromagnetic material.
  • the above object is achieved according to a further aspect by a radio switch according to patent claim 12.
  • the radio switch has an electromagnetic energy converter of the type explained above.
  • the electromagnetic energy converter is designed with a spring element which - as explained above for special configurations of the energy converter - is force-coupled to the ferromagnetic element and / or to the permanent magnet, whereby a spring force can be generated by actuating the spring element is for releasing the ferromagnetic element and / or the permanent magnet against a magnetic holding force from one of the two extreme positions.
  • the radio switch has a trigger unit which is designed to be movable and is coupled to the spring element of the energy converter for actuating the spring element. In particular, a bistable mode of operation of the radio switch is thereby implemented.
  • the trigger element is configured, for example, in such a way that it is located in two different positions, depending on the extreme position in which the movable magnetic components of the energy converter are located.
  • the radio switch also has a reset element for resetting the trigger unit into an initial position of the trigger unit.
  • the wireless switch has a monostable function.
  • the trigger element is configured, for example, in such a way that it is brought from an initial position to a second position and from this position automatically returns to the initial position.
  • the monostable mode of operation enables a double reversal of the direction of a magnetic flux in the magnetic circuit of the energy converter and thus a double induction of electrical energy in the coil. In this way, almost double the electrical energy can be obtained with one actuation than with the bistable mode of operation.
  • the monostable mode of operation serves, for example, energy-hungry applications of sending complex radio signals and information, while the bistable mode of operation serves less energy-hungry applications, e.g. the pure transmission of a position signal or a switching command.
  • the reset element is, for example, a spring or an elastic element.
  • the radio switch has one or more sensors for measuring measured variables or measured data of physical parameters from the environment.
  • measured variables are air temperature, air humidity, distance to objects in the vicinity, gas concentrations, magnetic fields, accelerations, thermal radiation, soil moisture, air humidity, number of particles in the air, presence of objects, etc. All of the aspects, features, modes of operation and embodiments explained above can be implemented separately from one another or in any combination with one another.
  • Figure 1A is a schematic view of an upper side of an exemplary embodiment of an energy converter according to the prior art
  • Figure 1B is a schematic side view of the
  • FIG. IC shows the energy converter according to FIG. 1B in a second state
  • FIG. 2A shows a schematic view of an upper side of a first exemplary embodiment of an energy converter according to the invention
  • Figure 2B is a schematic side view of the
  • FIG. 2C shows the energy converter according to FIG. 2B in a second state
  • FIG. 3 shows a schematic view of an upper side of a second exemplary embodiment of an energy converter according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic view of an upper side of a third exemplary embodiment of an energy converter according to the invention
  • Figures 5 to 8 each schematic views of a
  • Figure 9 is a perspective view of a
  • FIG. 10 shows an exploded view of the radio switch according to FIG. 9.
  • FIG. 1A shows a schematic view of an upper side of such an energy converter.
  • the energy converter has a ferromagnetic element 1 which has a base section 11 and legs 10a and 10b formed thereon in a U-shape.
  • An electrical coil 9 is magnetically coupled to the ferromagnetic element 1 on the base section 11.
  • the electrical coil 9 is wound around the base section 11.
  • the coil 9 is set up to apply an electrical voltage to two terminals by magnetic induction provide.
  • a spring element 3, which is set up to actuate the energy converter, which is explained in more detail below, is arranged on the right leg 10b.
  • the ferromagnetic element 1 is mounted so as to be movable about an axis of rotation A.
  • the energy converter also has a second ferromagnetic element 2a.
  • the second ferromagnetic element 2a is magnetically coupled to a permanent magnet 8 (see FIGS. 1B and IC) and extends in a region of the two legs 10a and 10b of the first ferromagnetic element 1.
  • the second ferromagnetic element 2a is longer than a distance between the legs 10a and 10b of the first ferromagnetic element 1, whereby the second ferromagnetic element 2a partially overlaps in a respective overlap area with the legs 10a and 10b of the first ferromagnetic element 1 for magnetic coupling.
  • the energy converter has a third ferromagnetic element 2b (see FIGS. 1B and IC) which is arranged on a side of the permanent magnet 8 opposite the second ferromagnetic element 2a and is magnetically coupled to it.
  • the ferromagnetic elements 2a and 2b are magnetically coupled to different magnetic poles of the permanent magnet 8.
  • the permanent magnet 8 and the ferromagnetic elements 2a and 2b form a group of magnetic components for generating a magnetic circuit.
  • FIGS. 1B and IC each of which is a side view of the Show energy converter in different states.
  • the ferromagnetic element 1 is enclosed by the electrically conductive coil 9.
  • the magnetic circuit is completed by the ferromagnetic elements 2a and 2b and the permanent magnet 8.
  • the first ferromagnetic element 1 touches with its two legs 10a and 10b at two contact points 7 the second and third ferromagnetic elements 2a and 2b magnetized by the permanent magnet 8 (magnetically opposing polarity).
  • the leg 10a touches the third ferromagnetic element 2b on the left side at a lower contact point 7, the leg 10b touching the second ferromagnetic element 2a at an upper contact point 7 on the right side.
  • a magnetic flux therefore propagates, starting from the permanent magnet 8, through the ferromagnetic elements 2a and 2b in contact therewith, and then passes through the two contact points 7 into the ferromagnetic element 1, where it closes.
  • the two contact points 7 enable the magnetic resistance in the magnetic circuit to be reduced, as a result of which a comparatively high magnetic flux can be achieved.
  • the two contact points 7 allow a sudden and strong change in the magnetic flux when the contact points 7 open or close, which is explained in more detail below.
  • the ferromagnetic element 1 is movably mounted in this exemplary embodiment and can be pivoted about the axis of rotation A (see FIG. 1A) by means of a rotary movement 5 within a predetermined angle of rotation (eg ⁇ 30 ° or ⁇ 10 °).
  • the axis of rotation A goes in Figures 1B and IC into the plane of the drawing.
  • the ferromagnetic element 1 can be rotated rocker-like by force 4 on the spring element 3 by a certain angle of rotation, whereby the two end positions (extreme positions) shown in FIGS. 1B and 1C can be assumed.
  • the ferromagnetic element 1 strikes at the respective contact points 7 with the two legs 10a and 10b alternately at corresponding points on the ferromagnetic elements 2a and 2b. Due to the force 4 acting on the spring element 3, the ferromagnetic element 1 is transferred from the position (the state) in FIG. 1B to the position (the state) in FIG. 1C.
  • the rotary movement 5 takes place suddenly due to magnetic holding forces in the contact points 7, the spring element initially being deformed without the ferromagnetic element 1 moving.
  • the magnetic holding forces hold the ferromagnetic element 1 in one of the end positions. Only when the force 4 exerted by the spring element 3 exceeds the magnetic holding forces does a sudden flip over into the other end position (extreme position) and two new contact points 7 (see transition from Figure 1B to Figure IC and vice versa) through which the magnetic flux is now directed.
  • both end positions (FIGS. 1B and IC) the magnetic flux through the ferromagnetic element 1 is at a maximum, but in each case opposite. This means that the direction of the magnetic flux is reversed, which triggers the intended voltage induction in the electrical coil 9.
  • the energy converter according to the principle as shown in Figures 1A to IC has the following disadvantages: Mechanical overdetermination. This comes about through the bearing point (axis of rotation) A of the movable ferromagnetic element 1 and through the two magnetic contact points 7 in each case. Since all three positions are ideally on a straight line, a consistently exact function can only be achieved through extreme precision of the parts and components used. Even very small deviations (tolerances), which are unavoidable in production, have a strong influence on the function of the energy conversion, which ultimately results in a poor production yield (energy conversion).
  • the force curve of the movable ferromagnetic element 1 is proportional to the third power of the distance between the contact points 7. Therefore, there are strong changes in force in the border area to these contact points 7. These exacerbate the problem of the high tolerance requirements and lead to magnetic saturation of the ferromagnetic material in the contact points 7, as a result of which the efficiency of the energy conversion decreases. Furthermore, the force peaks occasionally lead to a non-simultaneous detachment of the ferromagnetic element 1 from the respective two contact points 7, which also has a negative effect on the efficiency of the energy conversion.
  • the energy converter according to the invention in the embodiment according to FIGS. 2A to 2C comprises the same components as the energy converter according to the embodiment in FIGS. 1A to IC.
  • the same components are provided with the same reference symbols, reference being made to the explanations above for matching functionalities.
  • the energy converter in the embodiment according to FIGS. 2A to 2C has significant differences in its configuration compared to the energy converter in the embodiment according to FIGS. 1A to IC. These differences are explained below.
  • FIGS. 2B and 2C with FIGS. 1B and IC
  • the energy converter according to the embodiment in FIGS. 2A to 2C has at the respective end positions, in contrast to the energy converter according to the embodiment in FIGS. 1A to 1C, defined distances 6, 16 at predetermined points between the magnetic components involved in the magnetic circuit.
  • FIG. 2B in this end position the ferromagnetic element 1 only touches the upper contact point 7 with its leg 10b on the right-hand side ferromagnetic element 2a.
  • the other leg 10a of the ferromagnetic element 1 is on the left-hand side in this end position at a distance 6 from the ferromagnetic element 2b. As can be seen from FIG. 2C, in this end position the ferromagnetic element 1 only touches the ferromagnetic element 2a with its leg 10a on the left side at the upper contact point 7. The other leg 10b of the ferromagnetic element 1 is on the right side in this end position at a distance 6 from the ferromagnetic element 2b.
  • a distance 16 is also set up, for example, between the permanent magnet 8 and the ferromagnetic element 2b.
  • the distance 16 is omitted or is set up between the permanent magnet 8 and the ferromagnetic element 2a or in each case between the permanent magnet 8 and the ferromagnetic elements 2a and 2b.
  • the explained distances 6, 16 are designed as air gaps in the embodiment according to FIGS. 2A to 2C. In alternative embodiments, the gaps are implemented using non-ferromagnetic material that is introduced between the respective magnetic components. Contactless extreme positions of the ferromagnetic element 1 with respect to its leg 10a in FIG. 2B and with respect to its leg 10b in FIG. 2C are realized via the explained distances 6, 16.
  • the configuration of the energy converter as shown by way of example in the embodiment according to FIGS. 2A to 2C, has the following advantages:
  • the mechanical system is precisely determined. Because the movable ferromagnetic element 1 now only has two instead of three mechanical fixings in the respective end positions (the axis of rotation A and one of the contacting contact points 7), the mechanical system is precisely determined. Small tolerances of the parts and magnetic components, as they are unavoidable in production, can be without loss of function or
  • the distances 6 allow the force profile to be linearized. Extreme force gradients in the vicinity of the contact points 7 can be avoided.
  • the tendency of the ferromagnetic elements to saturate at the contact points 7 can be reduced.
  • FIGS. 3 and 4 show a schematic view of an upper side of a second and third exemplary embodiment of an energy converter according to the invention.
  • the energy converter in FIGS. 3 and 4 is constructed analogously to the energy converter according to the embodiment in FIGS. 2A to 2C.
  • the same components are provided with the same reference symbols, reference being made to the explanations above for matching functionalities.
  • the energy converter in the embodiments according to FIGS. 3 and 4 has differences in the geometry of the ferromagnetic element 2a compared to the configuration according to FIGS. 2A to 2C.
  • the exemplary embodiment of the ferromagnetic element 2a in FIG. 2A is rectangular, more complex geometries are implemented in the embodiments of FIGS. 3 and 4.
  • the overlapping surface portions in a respective overlap area between the legs 10a and 10b of the ferromagnetic element 1 and the ferromagnetic element 2a are enlarged.
  • the second ferromagnetic element 2a protrudes towards the base section 11 of the first ferromagnetic element 1 in the respective overlap area on a side facing the base section 11 of the first ferromagnetic element 1.
  • the second ferromagnetic element 2a has corresponding projections 12a and 12b for this purpose. This has the advantage that the useful magnetic flux is increased.
  • the second ferromagnetic element 2 a is on one of the base section 11 of the first ferromagnetic element 1 remote side in a respective area in which it protrudes beyond the legs 10a and 10b of the first ferromagnetic element 1, reduced in area.
  • the area of the second ferromagnetic element 2a is not reduced in the embodiment according to FIG. In this area, rather, a strong magnetic coupling with the permanent magnet 8 is implemented over the largest possible area of the second ferromagnetic element 2a (see the explanations above).
  • the advantages of the more complex geometries of the second ferromagnetic element 2a shown in the embodiments of FIGS. 3 and 4 are thus the ratio of useful magnetic flux (through ferromagnetic element 1) and parasitic magnetic flux (but not all magnetic fluxes emanating from permanent magnet 8 through the ferromagnetic element 1) to optimize. This directly benefits the efficiency of the energy conversion, since parasitic magnetic fields, which do not contribute to induction by the coil but can cause forces, are reduced.
  • FIGS. 5 to 8 each show schematic views of an upper side of fourth to seventh exemplary embodiments of an energy converter according to the invention.
  • the embodiments of Figures 5 and 6 relate to the design of the overlap areas and the
  • Overlapping areas for the magnetic flux between the first ferromagnetic element 1 and the projections 12a and 12b of the second ferromagnetic element 2a are each shown hatched in FIGS. 5 and 6 for clarity. Otherwise, the second ferromagnetic element 2a, as explained in relation to FIG. 4, has angled corners 13a and 13b.
  • the areas of overlap between the respective projection 12a and 12b and the respective leg 10a and 10b are designed to be the same or symmetrical in terms of area.
  • the second ferromagnetic element 2a is also arranged symmetrically with respect to the two legs 10a and 10b. This represents a difference to an arrangement of the second ferromagnetic element 2a slightly offset to the left with respect to the two legs 10a and 10b according to the embodiments of FIGS. 2A to 2C, 3 and 4.
  • Overlapping areas for the magnetic flux in the area of the contact points 7 are essentially responsible for the tear-off forces.
  • An asymmetrical design creates an inequality of Tear-off forces compensated in the two directions of movement, which is caused by the one-sided assembly of the spring element 3 in conjunction with the finite rigidity of the construction.
  • FIG. 7 and 8 relate to the design with respect to the spring element (s) 3.
  • two spring elements 3a and 3b are arranged on opposite sides, that is, on both legs 10a and 10b. This can be particularly advantageous when implementing a bistable concept, since in this case actuating forces on the spring elements 3a and 3b can each act in one direction (e.g. each from below or each from above).
  • a spring element 3 is arranged on the left leg 10a and constructed as a leaf spring with a trapezoidal shape.
  • the spring element 3 is a heavily stressed component and must survive several million switching cycles in industrial applications of the energy converter.
  • a trapezoidal design of the geometry of the spring element 3 has the advantage that the stress is distributed more evenly when the spring element 3 is bent, which results in an increased service life.
  • FIGS. 9 and 10 show a perspective view and an exploded view of an embodiment of a radio switch 14 according to the invention.
  • the radio switch 14 has an energy converter of the type explained above. In this way, the radio switch 14 can be constructed as an energy self-sufficient radio switch 14. While FIGS. 2A to 8 are schematic representations, FIGS. 9 and 10 show views of a specific technical implementation.
  • an energy self-sufficient radio switch it makes sense to implement a short-term memory for electrical energy, a voltage converter and radio electronics in the radio switch 14 in addition to the energy converter in a compact module, which has mechanical interfaces for the introduction of force and sensor interfaces with which between several different positions the force introduction can be distinguished.
  • FIG. 9 shows the radio switch 14 in the assembled state.
  • FIG. 9 shows one of two trigger units 15 via which the energy converter can be triggered.
  • FIG. 10 shows the internal structure of the radio switch 14 by way of example and in detail.
  • the components 17 and 22 are the respective upper and lower outer housing parts (top 17 and bottom 22).
  • the component 23 shows the described electromagnetic energy converter with the spring element 3.
  • a circuit board 24 carries at least the components voltage rectification, short-term energy storage, voltage regulator, microcontroller,
  • Radio unit and radio antenna 20 In addition to radio antenna 20, a wireless interface 21 is set up for further communication.
  • the wireless interface 21 is, for example, an NFC interface.
  • sensors 25a, 25b, 25c, 25d are exemplarily designed as conductor tracks on the circuit board 24 and are bridged by the keyboard mat 19, more precisely by its electrically conductive sections 26a to 26d, as soon as a force is exerted on the sensor interfaces 27a to 27d mechanically connected to it acts on the top 17.
  • the purpose of these sensors is to implement switches with several actuation interfaces, such as double rocker switches, with which several consumers can be controlled.
  • the trigger units 15 are levers which transmit the force when the radio switch 14 is actuated to the spring element 3.
  • the restoring element 18 is a second spring element which resets the mechanism to its initial state as soon as the external force decreases again sufficiently.
  • a monostable mode of operation is implemented via the reset element 18.
  • the resetting element 18 is not present, as a result of which a bistable mode of operation is implemented.
  • the monostable mode of operation is shown in FIG. Two spring elements 3 and 18 are always used here.
  • the first spring element 3 is used to accelerate the movement of the movable magnetic components of the energy converter 23. It ensures that, regardless of the speed at which the switch is actuated, a consistently rapid movement of the movable magnetic components of the energy converter 23 is ensured.
  • the second spring element 18 restores the initial state of the radio switch 14. As long as no external force acts, the radio switch 14 only has a stable position.
  • the spring element 18 is omitted in this case.
  • the radio switch 14 tilts into the when one of the trigger units 15 is actuated each other of two stable states. The radio switch 14 is only reset when one of the tripping units 15 is actuated again.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Energiewandler für einen Funkschalter (14). Der Energiewandler hat eine elektrische Spule (9) und Magnetkomponenten, die mindestens einen Permanentmagneten (8) und mindestens ein ferromagnetisches Element (1) umfassen. Der Permanentmagnet (8) und/oder das ferromagnetische Element (1) sind jeweils zwischen zwei Extrempositionen beweglich, wobei die Bewegung des Permanentmagneten (8) und/oder des ferromagnetischen Elements (1) zwischen den Extrempositionen zu einer Richtungsumkehr eines magnetischen Flusses im magnetischen Kreis führt, wobei der magnetische Fluss von der Spule (9) zumindest teilweise umschlossen wird. Wenigstens eine der Extrempositionen des Permanentmagneten (8) und/oder des ferromagnetischen Elements (1) ist als berührungslose Extremposition konfiguriert, an der wenigstens zwei der Magnetkomponenten sich nicht berühren.

Description

Beschreibung
Elektromagnetischer Energiewandler
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Energiewandler für einen Funkschalter oder für elektronische Steuergeräte. Solche Funkschalter oder Steuergeräte können Informationen per Funk über kurze Entfernungen (typisch unter 200 Meter Reichweite in Gebäuden und unter 20 km Reichweite außerhalb von Gebäuden) absenden. Zu solchen Geräten zählen insbesondere Funkschalter, Funktaster, Fernbedienungen und andere Funk-Signalgeber, die durch manuelle Betätigung oder mechanische Bewegung von Objekten zum Aussenden von Funksignalen angeregt werden.
Die elektrische Energie wird bei solchen Geräten vorteilhafterweise aus der mechanischen Betätigung selbst gewonnen, um einen wartungsfreien Betrieb ohne Batteriewechsel oder periodischer Batterieladung zu ermöglichen. Dazu werden elektromechanische Energiewandler eingesetzt, welche mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, kurzzeitig speichern und so den energieautarken Betrieb der Geräte ermöglichen.
Herkömmlichen Lösungen elektromechanischer Energiewandler setzen zum Beispiel elektromagnetische Energiewandler ein, die als ein typisches Beispiel für heute gebräuchliche Energiewandler in den genannten Anwendungen gelten. Ein Prinzip derartiger elektromagnetischer Energiewandler ist beispielsweise in der veröffentlichten Patentschrift EP 1611 662 Bl beschrieben. Das Prinzip besteht darin, dass ein ferromagnetisches Element beweglich bezüglich eines Permanentmagneten gelagert ist. Durch wippenartiges Umklappen des ferromagnetischen Elementes zwischen zwei Anschlagspositionen mit jeweils zwei magnetischen Kontaktpunkten kommt es zu einer schlagartigen Richtungsumkehr (starke Änderung) eines Magnetflusses bei geringem magnetischen Widerstand, was zu einer Induktion elektrischer Energie in einer magnetisch gekoppelten elektrischen Spule führt. Derartige Lösungen sind kompakt und vergleichsweise einfach konstruierbar.
Diese Lösungen haben jedoch auch einige Nachteile. Zum einen bestehen wegen der mechanischen Konstruktionsweise der mehreren magnetischen Kontaktpunkte hohe Präzisionsanforderungen an die verwendeten Komponenten. Bereits sehr kleine Bauteiltoleranzen, welche in der Produktion unvermeidlich sind, haben einen starken Einfluss auf die Funktion der Energiewandlung. Zum anderen entstehen in den oben erläuterten Endpositionen starke magnetische Kraftspitzen . Der magnetische Kraftverlauf ist dabei proportional zur dritten Potenz des Abstandes zwischen den Kontaktpunkten der kontaktieren beweglichen Komponenten.
Daher kommt es im Grenzbereich der Kontaktpunkte zu starken Kraftänderungen. Diese verschärfen das Problem der hohen Toleranzanforderungen. Die Kraftspitzen im Bewegungsverlauf führen zudem zu einer starken Geräuschentwicklung. Diese ist unerwünscht, wenn der Energiewandler z.B. in Funkschaltern in Gebäuden eingesetzt wird. Ferner erfordert die Betätigung durch einen Benutzer, z.B. über Schaltmittel oder Auslöseelemente, einen hohen Kraftaufwand von typisch > 3 N.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Energiewandler zu beschreiben, der die genannten Nachteile überwindet und dennoch kompakt und vergleichsweise einfach konstruierbar ist und eine verbesserte Energiewandlung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch einen elektromagnetischen Energiewandler der nachfolgend beschriebenen Art gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen offenbart.
Der elektromagnetische Energiewandler ist insbesondere für einen Funkschalter vorgesehen. Der Energiewandler weist Magnetkomponenten zum Erzeugen eines magnetischen Kreises auf. Die Magnetkomponenten umfassen mindestens einen Permanentmagneten und mindestens ein ferromagnetisches Element. Zusätzlich weist der Energiewandler mindestens eine elektrische Spule auf.
Der Permanentmagnet und/oder das ferromagnetische Element sind jeweils zwischen zwei Extrempositionen beweglich. Dabei führt die Bewegung des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements zwischen den Extrempositionen zu einer Richtungsumkehr eines magnetischen Flusses im magnetischen Kreis. Der magnetische Fluss wird von der Spule zumindest teilweise umschlossen. Dies hat den technischen Effekt, dass in der Spule eine elektrische Energie induziert wird. Durch eine Bewegung des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elementes zwischen den zwei Extrempositionen ist eine sehr rasche Richtungsumkehr des magnetischen Flusses erzielbar, was zu einer hohen Induktion elektrischer Energie in der Spule führt.
Bei diesem Energiewandler ist wenigstens eine der Extrempositionen des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements als berührungslose Extremposition konfiguriert, an der wenigstens zwei der Magnetkomponenten sich nicht berühren. Das bedeutet, dass in der berührungslosen Extremposition ein Abstand zwischen wenigstens zwei der Magnetkomponenten gebildet ist, so dass kein unmittelbarer Kontakt bzw. keine unmittelbare Berührung der zwei Magnetkomponenten gegeben ist. Dies hat den technischen Effekt, dass der magnetische Kreis an mindestens einer Stelle vollständig über nicht-ferromagnetische Materie geschlossen wird.
Eine derartige Maßnahme wirkt unter Berücksichtigung der obigen Kriterien herkömmlicher Lösungen bei fachüblicher Herangehensweise des Fachmanns zunächst abwegig, weil es dadurch zu einer wesentlichen Erhöhung des magnetischen Widerstands und zu einer zusätzlichen Schwächung des magnetischen Flusses kommt. Dies ist grundsätzlich nachteilig für die Energiedichte und Effizienz des Energiewandlers.
Allerdings kann dieser Nachteil durch bessere Materialien oder größere Permanentmagneten bzw. Permanentmagneten mit einer höheren Magnetisierung kompensiert werden. Insgesamt weist ein solcher Energiewandler somit folgende Vorteile auf, welche die in Kauf genommenen Nachteile bei weitem überwiegen. Eine mechanische Überbestimmtheit mehrerer magnetischer Kontaktpunkte wird vermieden. Dadurch ist das mechanische System des Energiewandlers präzise bestimmt. Kleine Toleranzen der Magnetkomponenten, wie sie in der Produktion unvermeidlich sind, können ohne oder mit nur sehr geringer Funktionseinbuße oder Ausbeutenreduzierung toleriert werden. Dadurch wird die Effizienz der Energiewandlung deutlich gesteigert, wobei der Energiewandler dennoch kompakt konstruierbar ist. Ferner kann das ungleichzeitige Ablösen von zwei oder mehr Kontaktpunkten vermieden werden. Zudem können extreme Kraftspitzen, insbesondere im Bereich der berührungslosen Extremposition, vermieden werden. Auch dadurch werden negative Effekte von Bauteiltoleranzen deutlich reduziert. Weiterhin lässt sich die
Sättigungsneigung des oder der ferromagnetischen Elemente an den Kontaktpunkten reduzieren. Damit kann eine geringere Geräuschentwicklung erreicht werden. Zudem wirken sich die moderaten magnetischen Kräfte, welche auf bewegliche Magnetkomponenten des Energiewandlers einwirken, positiv auf die Geräuschentwicklung aus.
In verschiedenen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers sind eine oder mehrere sonstige Extrempositionen, die sich von der berührungslosen Extremposition unterscheiden, derart konfiguriert, dass sich an diesen wenigstens zwei der Magnetkomponenten berühren (Abstand = 0), so dass ein Kontakt gegeben ist, beispielsweise über einen Kontaktpunkt, eine Kontaktlinie oder eine Kontaktfläche zwischen den Magnetkomponenten. In alternativen Ausführungsformen ist wenigstens eine sonstige Extremposition ebenfalls als berührungslose Extremposition der erläuterten Art ausgeführt. In diesen Ausführungsformen gibt es also wenigstens zwei berührungslose Extrempositionen. In weiter alternativen Ausführungsformen sind alle Extrempositionen berührungslose Extrempositionen.
„Berühren" der Magnetkomponenten bedeutet hierin ein unmittelbares Berühren bzw. einen unmittelbaren Kontakt zwischen den Magnetkomponenten ohne Zwischenschalten oder Zwischenlagern oder Zwischenkoppeln anderer Stoffe. In verschiedenen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist in wenigstens einer der Extrempositionen des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements eine berührungslose Extremposition konfiguriert. An dieser berührungslosen Extremposition berühren sich wenigstens zwei der Magnetkomponenten nicht, sodass der magnetische Kreis an mindestens einer Stelle vollständig über nicht ferromagnetische Materie geschlossen wird. Ferner sind in dieser wenigstens einen der Extrempositionen des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements eine oder mehrere sonstige Extrempositionen konfiguriert, die sich von der berührungslosen Extremposition unterscheiden und an denen wenigstens zwei der Magnetkomponenten sich berühren.
In verschiedenen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers sind das ferromagnetische Element und der Permanentmagnet relativ zueinander bewegbar. Alternativ sind das ferromagnetische Element und der Permanentmagnet relativ zueinander festgelegt, jedoch beweglich zu anderen Magnetkomponenten und/oder zur Spule des Energiewandlers konfiguriert .
In diversen Ausführungsformen des Energiewandlers ist lediglich das ferromagnetische Element zwischen den zwei Extrempositionen beweglich, was zur Richtungsumkehr des magnetischen Flusses im magnetischen Kreis führt. In hierzu alternativen Ausführungsformen des Energiewandlers ist lediglich der Permanentmagnet zwischen den zwei Extrempositionen beweglich, was zur Richtungsumkehr des magnetischen Flusses im magnetischen Kreis führt. In anderen Ausführungsformen des Energiewandlers ist sowohl das ferromagnetische Element als auch der Permanentmagnet jeweils zwischen den zwei Extrempositionen (zwei Extrempositionen des ferromagnetischen Elementes und zwei Extrempositionen des Permanentmagneten) beweglich, was zur Richtungsumkehr des magnetischen Flusses im magnetischen Kreis führt.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist die (wenigstens eine) berührungslose Extremposition durch einen Luftspalt zwischen den zwei sich nicht berührenden Magnetkomponenten gebildet. Durch den Luftspalt ist somit auf einfache Weise ein Abstand zwischen den sich nicht berührenden Magnetkomponenten gebildet. Der magnetische Kreis bleibt jedoch auch durch den Luftspalt geschlossen, wobei ein magnetischer Fluss durch den Luftspalt hindurch erfolgt, obwohl die zwei sich nicht berührenden Magnetkomponenten an der berührungslosen Extremposition vollständig berührungslos sind.
In hierzu alternativen oder ergänzenden Ausführungsformen ist die (wenigstens eine) berührungslose Extremposition durch ein nicht-ferromagnetisches Material (anders als Luft) gebildet, das zumindest teilweise zwischen den zwei sich nicht berührenden Magnetkomponenten angeordnet ist. Das nicht ferromagnetische Material ist beispielsweise ein Kunststoff. Das nicht-ferromagnetische Material füllt somit einen Abstand zwischen den sich nicht berührenden Magnetkomponenten zumindest teilweise derart aus, dass die Magnetkomponenten an der berührungslosen Extremposition vollständig berührungslos sind. Der magnetische Kreis bleibt jedoch auch in dieser Konfiguration geschlossen, wobei ein magnetischer Fluss durch das nicht-ferromagnetische Material hindurch erfolgt.
In anderen Ausführungsformen mit mehr als einer berührungslosen Extremposition ist wenigstens eine berührungslose Extremposition durch einen Luftspalt gebildet und wenigstens eine andere berührungslose Extremposition durch ein nicht-ferromagnetisches Material.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist die Bewegung eine Drehbewegung um eine Drehachse mit einem definierten Drehwinkel. Der Drehwinkel legt dabei die Extrempositionen fest. Die Konfiguration der Bewegung als Drehbewegung gilt dabei für den
Permanentmagneten und/oder das ferromagnetische Element. Der Drehwinkel definiert vorteilhaft ein Kreissegment < 360°, dessen äußere Grenzen die zwei Extrempositionen des Permanentmagneten bzw. des ferromagnetischen Elements sind. Eine Drehbewegung erlaubt eine Bewegung um eine Drehachse bzw. Aufhängung oder Lagerstelle des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements, wodurch eine kompakte Bauweise realisierbar ist.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist der Drehwinkel kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 10°, insbesondere zwischen 1° und 10°. Dadurch ist eine besonders kompakte bzw. flache Bauweise des Energiewandlers möglich, weil nur kleine bzw. geringe Bewegungen durchgeführt werden.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers weist dieser des Weiteren ein Federelement auf, das mit dem ferromagnetischen Element und/oder mit dem Permanentmagneten kraftgekoppelt ist. Dabei ist durch Betätigen des Federelements eine Federkraft erzeugbar zum jeweiligen Lösen des ferromagnetischen Elements und/oder des Permanentmagneten entgegen einer magnetischen Haltekraft aus einer der zwei Extrempositionen. Das Federelement bewirkt ein Vorspannen der bewegbaren Magnetkomponenten, wobei bei Überschreiten der magnetischen Haltekraft ein schlagartiges Umschnappen der bewegbaren Magnetkomponenten von der eingenommenen Extremposition in die andere Extremposition stattfindet, was eine besonders rasche Richtungsumkehr des magnetischen Flusses zur Folge hat. Diese starke Änderung des magnetischen Flusses in kürzester Zeit bewirkt eine besonders hohe Induktion elektrischer Energie in der Spule und verbessert die Energiewandlung.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist das ferromagnetische Element als erstes ferromagnetisches Element eingerichtet, wobei die Magnetkomponenten ein zweites ferromagnetisches Element umfassen. Das erste ferromagnetische Element weist einen Basisabschnitt und zwei daran angeformte Schenkel auf und ist am Basisabschnitt mit der Spule magnetisch gekoppelt. Das zweite ferromagnetische Element ist mit dem Permanentmagneten magnetisch gekoppelt und erstreckt sich in einem Bereich der beiden Schenkel des ersten ferromagnetischen Elements. Das zweite ferromagnetische Element ist länger als ein Abstand zwischen den Schenkeln des ersten ferromagnetischen Elements, wodurch das zweite ferromagnetische Element in einem jeweiligen Überlappungsbereich mit den Schenkeln des ersten ferromagnetischen Elements zur magnetischen Kopplung zumindest teilweise überlappt. Dadurch ist ein magnetischer Kreis vom Permanentmagneten über das zweite ferromagnetische Element hin zum ersten ferromagnetischen Element, durch die Spule und wieder zurück zum Permanentmagneten gegeben, der den magnetischen Fluss wirksam bündelt und durch die Spule leitet. Auf diese Weise werden parasitäre Effekte gering gehalten und die Effizienz des Energiewandlers erhöht. In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers springt das zweite ferromagnetische Element auf einer zum Basisabschnitt des ersten ferromagnetischen Elements hingelegenen Seite im jeweiligen Überlappungsbereich zum Basisabschnitt des ersten ferromagnetischen Elements hin vor. Diese geschickte Formung der Geometrie des zweiten ferromagnetischen Elements ermöglicht eine Vergrößerung des Überlappungsbereiches einer magnetischen Kopplung und damit eine Vergrößerung des magnetischen Nutzflusses.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers steht das zweite ferromagnetische Element auf einer vom Basisabschnitt des ersten ferromagnetischen Elements abgelegenen Seite in einem Bereich über die Schenkel des ersten ferromagnetischen Elements hinaus und weist in diesem Bereich abgestumpfte Ecken auf. Diese geschickte Formung der Geometrie des zweiten ferromagnetischen Elements ermöglicht ein Minimieren des parasitären Magnetflusses. Die abgestumpften Ecken sind beispielsweise abgewinkelte oder radiale oder anderweitig gegenüber einem rechten Winkel in ihrer Fläche reduzierte Ecken.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers umfassen die Magnetkomponenten ein drittes ferromagnetisches Element. Das dritte ferromagnetische Element ist mit dem Permanentmagneten magnetisch gekoppelt. Dabei ist das erste ferromagnetische Element zwischen den zwei Extrempositionen beweglich. Das erste ferromagnetische Element schlägt in einer der zwei Extrempositionen mit einem der beiden Schenkel am zweiten ferromagnetischen Element an, wobei ein Abstand zwischen dem anderen der beiden Schenkel und dem dritten ferromagnetischen Element gebildet ist. Das erste ferromagnetische Element schlägt in der anderen der zwei Extrempositionen mit dem anderen der beiden Schenkel am zweiten ferromagnetischen Element an, wobei ein Abstand zwischen dem einen der beiden Schenkel und dem dritten ferromagnetischen Element gebildet ist. In dieser Konfiguration erfolgt ein magnetisches Umpolen des ersten ferromagnetischen Elements durch wechselweises Anschlägen, d.h. Kontaktieren, jeweils des einen oder des anderen Schenkels an bzw. mit dem zweiten ferromagnetischen Element, das wiederum mit dem Permanentmagneten magnetisch gekoppelt ist. Der jeweils andere Schenkel, der in diesen zwei Extrempositionen des ersten ferromagnetischen Elementes jeweils vom dritten ferromagnetischen Element beabstandet ist, weist somit eine berührungslose Extremposition auf. In dieser Konfiguration tritt somit immer ein Schenkel des ersten ferromagnetischen Elements in der jeweiligen Extremposition in Kontakt mit dem zweiten ferromagnetischen Element, während der andere Schenkel eine berührungslose Extremposition in Abstand zum dritten ferromagnetischen Element einnimmt. Dadurch ist ein magnetischer Kreis vom Permanentmagneten über das zweite ferromagnetische Element hin zum ersten ferromagnetischen Element, durch die Spule, zum dritten ferromagnetischen Element und wieder zurück zum Permanentmagneten gegeben, der den magnetischen Fluss wirksam bündelt und durch die Spule leitet. Gleichzeitig werden die grundlegenden obigen Vorteile effizient erzielt.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers erstreckt sich das dritte ferromagnetische Element in einem Bereich der beiden Schenkel des ersten ferromagnetischen Elements, wobei das dritte ferromagnetische Element kürzer ist als ein Abstand zwischen den Schenkeln des ersten ferromagnetischen Elements, so dass das dritte ferromagnetische Element mit den Schenkeln des ersten ferromagnetischen Elements nicht überlappt. Auf diese Weise ist ein jeweiliger Abstand zwischen einem jeweiligen Schenkel des ersten ferromagnetischen Elements und dem dritten ferromagnetischen Element einfach konstruierbar.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist der Abstand zwischen dem jeweiligen Schenkel und dem dritten ferromagnetischen Element durch einen Luftspalt oder durch nicht-ferromagnetisches Material, insbesondere der oben erläuterten Art, realisiert. In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Energiewandlers ist zwischen dem dritten ferromagnetischen Element und dem Permanentmagneten ein Abstand gebildet.
Dieser Abstand ist dauerhaft, d.h. unabhängig von den Extrempositionen des Permanentmagneten und/oder des ferromagnetischen Elements gebildet. Dieser Abstand ist in einigen Ausführungsformen durch einen Luftspalt oder durch nicht-ferromagnetisches Material realisiert. Diese Ausführungen erlauben eine Dimensionierung der Magnetkomponenten und der magnetischen Effekte für die gewünschten Anwendungen bei dennoch kompakter Bauweise des Energiewandlers .
Die obige Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt durch einen Funkschalter nach Patentanspruch 12 gelöst. Der Funkschalter weist einen elektromagnetischen Energiewandler der oben erläuterten Art auf. Durch einen solchen Funkschalter werden die obigen Vorteile und Effekte, wie sie zum Energiewandler gemäß dem ersten Aspekt erläutert worden sind, analog erzielt. Insbesondere ist der Funkschalter vollkommen energieautark realisierbar. In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Funkschalters ist der elektromagnetische Energiewandler mit einem Federelement ausgeführt, das - wie weiter oben zu speziellen Ausgestaltungen des Energiewandlers erläutert - mit dem ferromagnetischen Element und/oder mit dem Permanentmagneten kraftgekoppelt ist, wobei durch Betätigen des Federelements eine Federkraft erzeugbar ist zum jeweiligen Lösen des ferromagnetischen Elements und/oder des Permanentmagneten entgegen einer magnetischen Haltekraft aus einer der zwei Extrempositionen. Dabei weist der Funkschalter eine Auslöseeinheit auf, die beweglich eingerichtet ist und mit dem Federelement des Energiewandlers gekoppelt ist zum Betätigen des Federelements. Dadurch ist insbesondere eine bistabile Funktionsweise des Funkschalters realisiert. Dabei erfolgt bei einmaligem Betätigen des Auslöseelements ein Umschnappen der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers von einer Extremposition in die andere Extremposition. Bei nochmaligem Betätigen des Auslöseelements erfolgt ein Rückschnappen der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers von der zweiten Extremposition zurück in die erste Extremposition. Das Auslöseelement ist dabei beispielsweise so konfiguriert, dass es in zwei unterschiedlichen Positionen befindlich ist, je nachdem, in welcher Extremposition die beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers befindlich sind.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Funkschalters weist dieser ferner ein Rückstellelement zum Rückstellen der Auslöseeinheit in eine Initialposition der Auslöseeinheit auf. In dieser Konfiguration ist eine monostabile Funktionsweise des Funkschalters realisiert.
Dabei erfolgt bei einmaligem Betätigen des Auslöseelements ein Umschnappen der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers von einer Extremposition in die andere Extremposition unmittelbar gefolgt von einem Rückschnappen der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers von der zweiten Extremposition zurück in die erste Extremposition.
Das Auslöseelement ist dabei beispielsweise so konfiguriert, dass es von einer Initialposition in eine zweite Position gebracht wird und von dieser automatisch wieder in die Initialposition zurückkehrt. Die monostabile Funktionsweise ermöglicht auf diese Weise eine zweifache Richtungsumkehr eines magnetischen Flusses im magnetischen Kreis des Energiewandlers und somit eine zweifache Induktion elektrischer Energie in der Spule. Somit kann mit einer Betätigung nahezu die doppelte elektrische Energie gewonnen werden als bei der bistabilen Funktionsweise. Die monostabile Funktionsweise dient beispielsweise energiehungrigen Anwendungen eines Aussendens komplexer Funksignale und Informationen, während die bistabile Funktionsweise weniger energiehungrigen Anwendungen dient, z.B. der reinen Aussendung eines Positionssignals oder eines Schaltbefehls.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Funkschalters ist das Rückstellelement z.B. eine Feder oder ein elastisches Element.
In diversen Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen des Funkschalters weist dieser einen oder mehrere Sensoren zum Messen von Messgrößen bzw. Messdaten physikalischer Parameter aus der Umgebung auf. Beispiele für Messgrößen sind Lufttemperatur, Luftfeuchte, Abstand zu Objekten in der Nähe, Gaskonzentrationen, Magnetfelder, Beschleunigungen, Wärmestrahlung, Bodenfeuchte, Luftfeuchte, Partikelanzahl in der Luft, Anwesenheit von Objekten, usw. Sämtliche der oben erläuterten Aspekte, Merkmale, Funktionsweisen und Ausführungsformen können getrennt voneinander oder beliebig miteinander kombiniert implementiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsformen unter Heranziehen von Figuren näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1A eine schematisierte Ansicht einer Oberseite einer beispielhaften Ausführungsform eines Energiewandlers nach dem Stand der Technik,
Figur 1B eine schematisierte Seitenansicht des
Energiewandlers gemäß Figur 1A in einem ersten Zustand,
Figur IC den Energiewandler gemäß Figur 1B in einem zweiten Zustand,
Figur 2A eine schematisierte Ansicht einer Oberseite eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers,
Figur 2B eine schematisierte Seitenansicht des
Energiewandlers gemäß Figur 2A in einem ersten Zustand,
Figur 2C den Energiewandler gemäß Figur 2B in einem zweiten Zustand, Figur 3 eine schematisierte Ansicht einer Oberseite eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers,
Figur 4 eine schematisierte Ansicht einer Oberseite eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers,
Figuren 5 bis 8 jeweils schematisierte Ansichten einer
Oberseite von vierten bis siebten Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Energiewandlers,
Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Funkschalters,
Figur 10 eine Explosionsdarstellung des Funkschalters gemäß Figur 9.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1A bis IC eine beispielhafte Ausführungsform eines Energiewandlers nach dem Stand der Technik erläutert.
Figur 1A zeigt eine schematisierte Ansicht einer Oberseite eines solchen Energiewandlers. Der Energiewandler weist ein ferromagnetisches Element 1 auf, das einen Basisabschnitt 11 und daran U-förmig angeformte Schenkel 10a und 10b aufweist. Eine elektrische Spule 9 ist am Basisabschnitt 11 mit dem ferromagnetischen Element 1 magnetisch gekoppelt. Die elektrische Spule 9 ist dabei um den Basisabschnitt 11 gewickelt. Die Spule 9 ist eingerichtet, durch magnetische Induktion eine elektrische Spannung an zwei Anschlüssen bereitzustellen. An dem rechten Schenkel 10b ist ein Federelement 3 angeordnet, das zum betätigen des Energiewandlers eingerichtet ist, was weiter unten näher erläutert wird. Das ferromagnetische Element 1 ist um eine Drehachse A beweglich gelagert.
Ferner weist der Energiewandler ein zweites ferromagnetisches Element 2a auf. Das zweite ferromagnetische Element 2a ist mit einem Permanentmagneten 8 (siehe Figuren 1B und IC) magnetisch gekoppelt und erstreckt sich in einem Bereich der beiden Schenkel 10a und 10b des ersten ferromagnetischen Elements 1. Das zweite ferromagnetische Element 2a ist länger als ein Abstand zwischen den Schenkeln 10a und 10b des ersten ferromagnetischen Elements 1, wodurch das zweite ferromagnetische Element 2a in einem jeweiligen Überlappungsbereich mit den Schenkeln 10a und 10b des ersten ferromagnetischen Elements 1 zur magnetischen Kopplung teilweise überlappt.
Des Weiteren weist der Energiewandler ein drittes ferromagnetisches Element 2b (siehe Figuren 1B und IC) auf, das auf einer dem zweiten ferromagnetischen Element 2a gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten 8 angeordnet und mit diesem magnetisch gekoppelt ist. Auf diese Weise sind die ferromagnetischen Elemente 2a und 2b mit verschiedenen magnetischen Polen des Permanentmagneten 8 magnetisch gekoppelt. Der Permanentmagnet 8 sowie die ferromagnetischen Elemente 2a und 2b bilden eine Gruppe von Magnetkomponenten zum Erzeugen eines magnetischen Kreises.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses Energiewandlers nach dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Figuren 1B und IC beschrieben, die jeweils eine Seitenansicht des Energiewandlers in verschiedenen Zuständen zeigen. Wie oben erläutert, wird das ferromagnetische Element 1 von der elektrisch leitenden Spule 9 umschlossen. Weiterhin wird der magnetische Kreis durch die ferromagnetischen Elemente 2a und 2b sowie den Permanentmagneten 8 komplettiert. Gemäß dem Zustand in Figur 1B berührt das erste ferromagnetische Element 1 mit seinen beiden Schenkeln 10a und 10b an zwei Kontaktstellen 7 die über den Permanentmagneten 8 magnetisierten (magnetisch gegenpoligen) zweiten und dritten ferromagnetischen Elemente 2a und 2b. Der Schenkel 10a berührt auf der linken Seite an einer unteren Kontaktstelle 7 das dritte ferromagnetische Element 2b, wobei der Schenkel 10b an einer oberen Kontaktstelle 7 auf der rechten Seite das zweite ferromagnetische Element 2a berührt.
Ein Magnetfluss pflanzt sich also, ausgehend vom Permanentmagneten 8, durch die mit diesem in Kontakt stehenden ferromagnetischen Elemente 2a und 2b fort, um dann durch die beiden Kontaktstellen 7 in das ferromagnetische Element 1 zu gelangen, wo er sich schließt. Die beiden Kontaktstellen 7 ermöglichen dabei eine Reduzierung des magnetischen Widerstands im magnetischen Kreis, wodurch ein vergleichsweise hoher magnetischer Fluss erreicht werden kann. Zudem erlauben die beiden Kontaktstellen 7 eine schlagartige und starke Änderung des magnetischen Flusses bei Öffnen bzw. Schließen der Kontaktstellen 7, was weiter unten näher erläutert wird.
Das ferromagnetische Element 1 ist, wie oben erläutert, in dieser beispielhaften Ausführungsform beweglich gelagert und um die Drehachse A (siehe Figur 1A) über eine Drehbewegung 5 innerhalb eines vorgegebenen Drehwinkels (z.B. < 30° oder < 10°) schwenkbar. Die Drehachse A geht in den Figuren 1B und IC in die Zeichenebene hinein. Das ferromagnetische Element 1 lässt sich durch Krafteinwirkung 4 auf das Federelement 3 um einen gewissen Drehwinkel wippenartig drehen, wobei die in den Figuren 1B und IC dargestellten zwei Endpositionen (Extrempositionen) eingenommen werden können. In diesen zwei Endpositionen schlägt das ferromagnetische Element 1 an den jeweiligen Kontaktstellen 7 mit den beiden Schenkeln 10a und 10b wechselweise an entsprechenden Stellen der ferromagnetischen Elemente 2a und 2b an. Aufgrund der Krafteinwirkung 4 auf das Federelement 3 wird das ferromagnetische Element 1 von der Position (dem Zustand) in Figur 1B in die Position (den Zustand) in Figur IC überführt.
Die Drehbewegung 5 vollzieht sich aufgrund von magnetischen Haltekräften in den Kontaktstellen 7 schlagartig, wobei das Federelement zunächst deformiert wird, ohne dass es zu einer Bewegung des ferromagnetischen Elementes 1 kommt. Die magnetischen Haltekräfte halten das ferromagnetische Element 1 in einer der Endpositionen. Erst, wenn die durch das Federelement 3 ausgeübte Kraft 4 die magnetischen Haltekräfte übersteigt, kommt es zu einem schlagartigen Umklappen in die jeweils andere Endposition (Extremposition) und zu zwei neuen Kontaktstellen 7 (siehe Übergang von Figur 1B zu Figur IC und umgekehrt), durch welche nun der magnetische Fluss geleitet wird. In beiden Endpositionen (Figuren 1B und IC) ist der Magnetfluss durch das ferromagnetische Element 1 maximal, jedoch jeweils entgegengesetzt. Das heißt, es kommt zu einer Richtungsumkehr des Magnetflusses, welche die beabsichtigte Spannungs-Induktion in der elektrischen Spule 9 auslöst.
Der Energiewandler gemäß dem Prinzip, wie in den Figuren 1A bis IC dargestellt, hat folgende Nachteile: Mechanische Überbestimmtheit. Diese kommt durch die Lagerstelle (Drehachse) A des beweglichen ferromagnetischen Elementes 1 sowie durch die jeweils beiden magnetischen Kontaktstellen 7 zustande. Da alle drei Positionen idealerweise auf einer Geraden liegen, kann nur durch eine extreme Präzision der verwenden Teile und Komponenten eine gleichbleibend exakte Funktion erreicht werden. Bereits sehr kleine Abweichungen (Toleranzen), welche in der Produktion unvermeidlich sind, haben einen starken Einfluss auf die Funktion der Energiewandlung, was letztlich in einer schlechten Produktionsausbeute (Energiewandlung) resultiert.
Starke Kraftspitzen in den Extrempositionen. Der Kraftverlauf des beweglichen ferromagnetischen Elements 1 ist proportional zur dritten Potenz des Abstandes zwischen den Kontaktstellen 7. Daher kommt es im Grenzbereich zu diesen Kontaktstellen 7 zu starken Kraftänderungen. Diese verschärfen das Problem der hohen Toleranzanforderungen und führen zu magnetischer Sättigung des ferromagnetischen Materials in den Kontaktstellen 7, wodurch die Effizienz der Energiewandlung sinkt. Weiterhin führen die Kraftspitzen gelegentlich zu einem ungleichzeitigen Ablösen des ferromagnetischen Elements 1 von den jeweils beiden Kontaktstellen 7, was ebenfalls negativ auf die Effizienz der Energiewandlung wirkt.
Hohe Geräuschentwicklung. Die Kraftspitzen im Bewegungsverlauf führen zudem zu einer starken Geräuschentwicklung, wenn das bewegliche ferromagnetische Element 1 die Anschlagspunkte an den Kontaktstellen 7 mit den ferromagnetischen Elementen 2a und 2b trifft. Dies ist unerwünscht, wenn der Energiewandler z.B. in Funkschaltern in Gebäuden eingesetzt wird.
Diese Nachteile werden durch einen erfindungsgemäßen Energiewandler überwunden. Unter Bezugnahme auf die Figuren 2A bis 2C wird eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiewandlers erläutert.
Der erfindungsgemäße Energiewandler in der Ausführungsform gemäß den Figuren 2A bis 2C umfasst dieselben Komponenten, wie der Energiewandler gemäß der Ausführungsform in den Figuren 1A bis IC. Dieselben Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei für übereinstimmende Funktionalitäten auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Allerdings weist der Energiewandler in der Ausführungsform gemäß den Figuren 2A bis 2C signifikante Unterschiede in seiner Konfiguration im Vergleich zum Energiewandler in der Ausführungsform gemäß den Figuren 1A bis IC auf. Diese Unterschiede werden nachfolgend erläutert.
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der magnetische Kreis in den genannten Endpositionen (vergleiche Figuren 2B und 2C mit den Figuren 1B und IC) des ferromagnetischen Elementes 1 nicht vollständig geschlossen wird. Der Energiewandler gemäß der Ausführungsform in den Figuren 2A bis 2C weist an den jeweiligen Endpositionen im Unterschied zu dem Energiewandler gemäß der Ausführungsform in den Figuren 1A bis IC definierte Abstände 6, 16 an vorgegebenen Stellen zwischen den im magnetischen Kreis beteiligten Magnetkomponenten auf. Wie aus Figur 2B ersichtlich ist, berührt das ferromagnetische Element 1 in dieser Endposition nur mit dessen Schenkel 10b auf der rechten Seite an der oberen Kontaktstelle 7 das ferromagnetische Element 2a. Der andere Schenkel 10a des ferromagnetischen Elementes 1 ist auf der linken Seite in dieser Endposition über einen Abstand 6 beabstandet zum ferromagnetischen Element 2b. Wie aus Figur 2C ersichtlich ist, berührt das ferromagnetische Element 1 in dieser Endposition nur mit dessen Schenkel 10a auf der linken Seite an der oberen Kontaktstelle 7 das ferromagnetische Element 2a. Der andere Schenkel 10b des ferromagnetischen Elementes 1 ist auf der rechten Seite in dieser Endposition über einen Abstand 6 beabstandet zum ferromagnetischen Element 2b.
Zudem ist beispielhaft auch ein Abstand 16 zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem ferromagnetische Element 2b eingerichtet. In alternativen Ausführungsformen ist der Abstand 16 weggelassen oder zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem ferromagnetischen Element 2a oder jeweils zwischen dem Permanentmagneten 8 und den ferromagnetischen Elementen 2a und 2b eingerichtet. Die erläuterten Abstände 6, 16 sind in der Ausführungsform gemäß den Figuren 2A bis 2C als Luftspalte ausgeführt. In alternativen Ausführungsformen sind die Abstände über nicht-ferromagnetische Material realisiert, das zwischen den jeweiligen Magnetkomponenten eingebracht ist. Über die erläuterten Abstände 6, 16 sind berührungslose Extrempositionen des ferromagnetischen Elementes 1 bezüglich dessen Schenkel 10a in Figur 2B und bezüglich dessen Schenkel 10b in Figur 2C realisiert.
Diese Maßnahmen erscheinen zunächst abwegig im Sinne einer möglichst effizienten und wirkungsvollen Ausnutzung eines magnetischen Flusses für die (ohnehin schwierige) Aufgabe einer effizienten Energiewandlung. Denn diese Maßnahmen führen zunächst zu einer Schwächung des magnetischen Flusses und sind damit nachteilig für die Energiedichte und Effizienz des Energiewandlers.
Allerdings hat sich herausgestellt, dass die Konfiguration des Energiewandlers, wie beispielhaft in der Ausführungsform gemäß den Figuren 2A bis 2C dargestellt, folgende Vorteile aufweist :
Bestimmtheit des mechanischen Systems. Dadurch, dass das bewegliche ferromagnetische Element 1 jetzt nur noch zwei anstatt drei mechanische Festlegungen in den jeweiligen Endpositionen aufweist (die Drehachse A und jeweils eine der berührenden Kontaktstellen 7), ist das mechanische System präzise bestimmt. Kleine Toleranzen der Teile und Magnetkomponenten, wie sie in der Produktion unvermeidlich sind, können ohne Funktionseinbuße oder
Ausbeutenreduzierung toleriert werden. Das ungleichzeitige Ablösen von zwei Kontaktstellen 7 wird vermieden.
Vermeidung extremer Kraftspitzen. Die Abstände 6 erlauben eine Linearisierung des Kraftverlaufs. Extreme Kraftgradienten in der Nähe der Kontaktstellen 7 können vermieden werden.
Weiterhin lässt sich die Sättigungsneigung der ferromagnetischen Elemente an den Kontaktstellen 7 reduzieren .
Geringere Geräuschentwicklung. Die moderaten magnetischen Kräfte, welche auf das bewegliche ferromagnetische Element 1 wirken, wirken sich positiv auf die Geräuschentwicklung aus. Die Figuren 3 und 4 zeigen eine schematisierte Ansicht einer Oberseite eines zweiten bzw. dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energiewandlers. Der Energiewandler ist in den Figuren 3 und 4 analog zum Energiewandler gemäß der Ausführungsform in den Figuren 2A bis 2C konstruiert. Dieselben Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei für übereinstimmende Funktionalitäten auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Allerdings weist der Energiewandler in den Ausführungsformen gemäß den Figuren 3 und 4 Unterschiede in der Geometrie des ferromagnetischen Elementes 2a im Vergleich zur Konfiguration gemäß den Figuren 2A bis 2C auf.
Während die beispielhafte Ausführung des ferromagnetischen Elementes 2a in der Figur 2A rechteckig ist, sind in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 komplexere Geometrien realisiert. Insbesondere sind in beiden Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 die sich überdeckenden Flächenanteile in einem jeweiligen Überlappungsbereich zwischen den Schenkeln 10a und 10b des ferromagnetischen Elements 1 und dem ferromagnetischen Element 2a vergrößert. Dies wird dadurch erreicht, dass das zweite ferromagnetische Element 2a auf einer zum Basisabschnitt 11 des ersten ferromagnetischen Elements 1 hingelegenen Seite im jeweiligen Überlappungsbereich zum Basisabschnitt 11 des ersten ferromagnetischen Elements 1 hin vorspringt. Das zweite ferromagnetische Element 2a weist hierzu entsprechende Vorsprünge 12a und 12b auf. Dies hat den Vorteil, dass der magnetische Nutzfluss vergrößert wird.
Zusätzlich ist in der Ausführungsform gemäß Figur 4 das zweite ferromagnetische Element 2a auf einer vom Basisabschnitt 11 des ersten ferromagnetischen Elements 1 abgelegenen Seite in einem jeweiligen Bereich, in dem es über die Schenkel 10a und 10b des ersten ferromagnetischen Elements 1 hinaussteht, flächenmäßig verkleinert. Dies wird dadurch erreicht, dass das zweite ferromagnetische Element 2a auf dieser abgelegenen Seite in dem jeweiligen Bereich abgewinkelte Ecken aufweist. Dies hat den Vorteil, dass ein parasitärer Magnetfluss verringert wird. In einem zentral gelegenen Bereich des zweiten ferromagnetischen Elements 2a zwischen den beiden Schenkeln 10a und 10b ist das zweite ferromagnetische Element 2a jedoch flächenmäßig in der Ausführungsform gemäß Figur 4 nicht verkleinert. In diesem Bereich ist vielmehr eine starke magnetische Kopplung mit dem Permanentmagneten 8 über eine möglichst große Fläche des zweiten ferromagnetischen Elements 2a (vergleiche obige Erläuterungen) realisiert.
Die Vorteile der in den Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 dargestellten komplexeren Geometrien des zweiten ferromagnetischen Elements 2a liegen somit darin, das Verhältnis von nutzbringendem Magnetfluss (durch das ferromagnetische Element 1) und parasitärem Magnetfluss (alle Magnetflüsse, die vom Permanentmagneten 8 ausgehen, jedoch nicht durch das ferromagnetische Element 1 führen) zu optimieren. Dies kommt unmittelbar der Effizienz der Energiewandlung zugute, da parasitäre Magnetfelder, welche nicht zur Induktion durch die Spule beitragen, aber Kräfte verursachen können, reduziert werden.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen jeweils schematisierte Ansichten einer Oberseite von vierten bis siebten Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Energiewandlers. Die Ausführungsformen der Figuren 5 und 6 betreffen die Gestaltung der Überlappungsbereiche bzw. der
Überlappungsflächen für den Magnetfluss zwischen dem ersten ferromagnetischen Element 1 und den Vorsprüngen 12a und 12b des zweiten ferromagnetischen Elements 2a. Die Überlappungsbereiche sind in den Figuren 5 und 6 jeweils zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt. Ansonsten weist das zweite ferromagnetische Element 2a, wie zu Figur 4 erläutert, abgewinkelte Ecken 13a und 13b auf.
In Figur 5 sind die Überlappungsbereiche zwischen dem jeweiligen Vorsprung 12a und 12b und dem jeweiligen Schenkel 10a und 10b flächenmäßig gleich bzw. symmetrisch ausgeführt. Zusätzlich ist dabei das zweite ferromagnetische Element 2a auch symmetrisch bezüglich der beiden Schenkel 10a und 10b angeordnet. Dies stellt einen Unterschied zu einer leicht nach links versetzten Anordnung des zweiten ferromagnetischen Elementes 2a bezüglich der beiden Schenkel 10a und 10b gemäß den Ausführungsformen der Figuren 2A bis 2C, 3 und 4 dar.
In Figur 6 ist sowohl eine leicht nach rechts versetzte Anordnung des zweiten ferromagnetischen Elementes 2a bezüglich der beiden Schenkel 10a und 10b als auch eine Asymmetrie der Überlappungsbereiche zwischen dem jeweiligen Vorsprung 12a und 12b und dem jeweiligen Schenkel 10a und 10b dargestellt. Insbesondere ist die flächenmäßige Überlappung zwischen dem Vorsprung 12a und dem Schenkel 10a kleiner als die flächenmäßige Überlappung zwischen dem Vorsprung 12b und dem Schenkel 10b. Die Größen der jeweiligen
Überlappungsflächen für den magnetischen Fluss im Bereich der Kontaktstellen 7 (vergleiche Figuren 2B und 2C) sind wesentlich für die Abreißkräfte verantwortlich. Durch eine unsymmetrische Gestaltung wird eine Ungleichheit der Abreißkräfte in den beiden Bewegungsrichtungen kompensiert, die durch die einseitige Montage des Federelements 3 im Zusammenspiel mit der endlichen Steifigkeit der Konstruktion hervorgerufen wird.
Die Ausführungsformen der Figuren 7 und 8 betreffen die Gestaltung bezüglich des oder der Federelemente 3. In der Ausführungsform gemäß Figur 7 sind zwei Federelemente 3a und 3b auf jeweils gegenüberliegenden Seiten, das heißt an beiden Schenkeln 10a und 10b angeordnet. Dies kann insbesondere bei der Realisierung eines bistabilen Konzepts vorteilhaft sein, da in diesem Fall Betätigungskräfte an den Federelementen 3a und 3b jeweils in eine Richtung wirken können (z.B. jeweils von unten oder jeweils von oben).
In der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist ein Federelement 3 am linken Schenkel 10a angeordnet und als Blattfeder mit Trapezform konstruiert. Das Federelement 3 ist ein stark beanspruchtes Bauteil und muss in industriellen Anwendungen des Energiewandlers mehrere Millionen Schaltzyklen überleben. Eine trapezförmige Gestaltung der Geometrie des Federelementes 3 hat den Vorteil, dass der Stress bei Verbiegung des Federelements 3 gleichmäßiger verteilt wird, was eine gesteigerte Lebensdauer zur Folge hat.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Funkschalters 14. der Funkschalter 14 weist einen Energiewandler der oben erläuterten Art auf. Auf diese Weise ist der Funkschalter 14 als energieautarker Funkschalter 14 konstruierbar. Während die Figuren 2A bis 8 schematische Darstellungen sind, zeigen die Fig. 9 und 10 Ansichten einer konkreten technischen Realisierung. Zur Realisierung als energieautarker Funkschalter ist es sinnvoll, im Funkschalter 14 neben dem Energiewandler einen Kurzzeitspeicher für elektrische Energie, einen Spannungswandler und eine Funkelektronik in einem kompakten Modul zu realisieren, welches mechanische Schnittstellen für die Krafteinleitung aufweist sowie auch Sensorschnittstellen, mit denen zwischen mehreren verschiedenen Positionen der Krafteinleitung unterschieden werden kann.
Die Figur 9 zeigt den Funkschalter 14 im zusammengebauten Zustand. Die Figur 9 zeigt eine von zwei Auslöseeinheiten 15, über die der Energiewandler ausgelöst werden kann.
Die Figur 10 zeigt den internen Aufbau des Funkschalters 14 beispielhaft und detailliert. Die Komponenten 17 und 22 sind die jeweils oberen und unteren äußeren Gehäuseteile (Oberseite 17 und Unterseite 22). Die Komponente 23 zeigt den beschriebenen elektromagnetischen Energiewandler mit dem Federelement 3. Eine Leiterplatte 24 trägt mindestens die Komponenten Spannungs-Gleichrichtung, Kurzzeit- Energiespeicher, Spannungsregler, Mikrokontroller,
Funkeinheit und Funkantenne 20. Neben der Funkantenne 20 ist eine drahtlose Schnittstelle 21 für eine weitere Kommunikation eingerichtet. Die drahtlose Schnittstelle 21 ist beispielsweise eine NFC-Schnittstelle.
Weiterhin gibt es optional einen oder mehrere Sensoren 25a, 25b, 25c, 25d. Diese sind hier beispielhaft als Leiterzüge auf der Leiterplatte 24 ausgeführt und werden von der Tastaturmatte 19, genauer von deren elektrisch leitenden Abschnitten 26a bis 26d überbrückt, sobald eine Kraft auf die damit mechanisch verbundenen Sensorschnittstellen 27a bis 27d auf der Oberseite 17 einwirkt. Der Zweck dieser Sensoren ist es, Schalter mit mehreren Betätigungsschnittstellen, wie z.B. Doppelwippenschalter, zu realisieren, mit denen mehrere Verbraucher gesteuert werden können.
Die Auslöseeinheiten 15 sind Hebel, welche die Kraft beim Betätigen des Funkschalters 14 auf das Federelement 3 übertragen. Das Rückstellelement 18 ist ein zweites Federelement, welches die Mechanik in den Ausgangszustand zurückversetzt, sobald die äußere Kraft wieder hinreichend nachlässt. Über das Rückstellelement 18 ist eine monostabile Funktionsweise realisiert. In alternativen Ausführungsformen ist das Rückstellelement 18 nicht vorhanden, wodurch eine bistabile Funktionsweise realisiert ist.
Die monostabile und die bistabile Funktionsweise werden nachfolgend näher erläutert.
Die monostabile Funktionsweise ist in Figur 10 dargestellt. Hier kommen stets zwei Federelemente 3 und 18 zum Einsatz.
Das erste Federelement 3 dient der Beschleunigung der Bewegung der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers 23. Es sorgt dafür, dass unabhängig von der Geschwindigkeit der Schalterbetätigung eine gleichbleibend rasche Bewegung der beweglichen Magnetkomponenten des Energiewandlers 23 gesichert ist. Das zweite Federelement 18 stellt den Ausgangszustand des Funkschalters 14 wieder her. Der Funkschalter 14 hat also, solange keine äußere Kraft einwirkt, nur eine stabile Position.
Davon zu unterscheiden ist ein alternatives, bistabiles System. Dabei entfällt das Federelement 18. Der Funkschalter 14 kippt bei Betätigung eines der Auslöseeinheiten 15 in den jeweils anderen von zwei stabilen Zuständen. Der Funkschalter 14 wird erst zurückgestellt, wenn eine erneute Betätigung an einer der Auslöseeinheiten 15 stattfindet.
Die hier beschriebenen Geometrien sind nur beispielhaft dargestellt und können auch anders gestaltet werden. Ebenso tauschen in nicht dargestellten Ausführungsformen bewegliche und feststehende Teile ihre Rolle, da es nur auf eine Relativbewegung ankommt. Sämtliche erläuterten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft gewählt.
Bezeichnungsliste :
1 erstes ferromagnetisches Element (Kern)
2a zweites ferromagnetisches Element (Anker)
2b drittes ferromagnetisches Element
3 Federelement
3a, 3b Federelement
4 Krafteinwirkung
5 Drehbewegung um einen Winkel
6 Abstand
7 Kontaktstelle
8 Permanentmagnet 9 elektrische Spule
10a, 10b Schenkel 11 Basisabschnitt
12a, 12b Vorsprünge 13a, 13b abgewinkelte Ecken
14 Funkschalter
15 Auslöseeinheit
16 Abstand
17 Oberseite
18 Rückstellelement, Feder
19 Tastaturmatte
20 Funkantenne 21 drahtlose Schnittstelle 22 Unterseite
23 Modul
24 Leiterplatte
25a bis 25d Sensoren 26a bis 26d leitende Abschnitte 27a bis 27d Sensorschnittstellen A Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetischer Energiewandler für einen Funkschalter (14), wobei der Energiewandler Magnetkomponenten zum Erzeugen eines magnetischen Kreises aufweist und die Magnetkomponenten mindestens einen Permanentmagneten (8) und mindestens ein ferromagnetisches Element (1) umfassen, und wobei der Energiewandler mindestens eine elektrische Spule (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (8) und/oder das ferromagnetische Element (1) jeweils zwischen zwei Extrempositionen beweglich sind, wobei die Bewegung des Permanentmagneten (8) und/oder des ferromagnetischen Elements (1) zwischen den Extrempositionen zu einer Richtungsumkehr eines magnetischen Flusses im magnetischen Kreis führt, wobei der magnetische Fluss von der Spule (9) zumindest teilweise umschlossen wird, wobei wenigstens eine der Extrempositionen des
Permanentmagneten (8) und/oder des ferromagnetischen Elements (1) als berührungslose Extremposition konfiguriert ist, an der wenigstens zwei der Magnetkomponenten sich nicht berühren, sodass der magnetische Kreis an mindestens einer Stelle vollständig über nicht-ferromagnetische Materie geschlossen wird, und eine oder mehrere sonstige Extrempositionen konfiguriert sind, die sich von der berührungslosen Extremposition unterscheiden und an denen wenigstens zwei der Magnetkomponenten sich berühren.
2. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1, wobei die berührungslose Extremposition durch einen Luftspalt (6) zwischen den zwei sich nicht berührenden Magnetkomponenten gebildet ist.
3. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 1, wobei die berührungslose Extremposition durch ein nicht ferromagnetisches Material gebildet ist, das zumindest teilweise zwischen den zwei sich nicht berührenden Magnetkomponenten angeordnet ist.
4. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bewegung eine Drehbewegung (5) um eine Drehachse (A) mit einem definierten Drehwinkel ist, der die Extrempositionen festlegt.
5. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 4, wobei der Drehwinkel kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 10° ist.
6. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter aufweisend ein Federelement (3, 3a, 3b), das mit dem ferromagnetischen Element (1) und/oder mit dem Permanentmagneten (8) kraftgekoppelt ist, wobei durch Betätigen des Federelements (3, 3a, 3b) eine Federkraft erzeugbar ist zum jeweiligen Lösen des ferromagnetischen Elements (1) und/oder des Permanentmagneten (8) entgegen einer magnetischen Haltekraft aus einer der zwei Extrempositionen .
7. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das ferromagnetische Element (1) als erstes ferromagnetisches Element (1) eingerichtet ist und die Magnetkomponenten ein zweites ferromagnetisches Element (2a) umfassen, wobei das erste ferromagnetische Element (1) einen Basisabschnitt (11) und zwei daran angeformte Schenkel (10a, 10b) aufweist und am Basisabschnitt (11) mit der Spule (9) magnetisch gekoppelt ist und wobei das zweite ferromagnetische Element (2a) mit dem Permanentmagneten (8) magnetisch gekoppelt ist und sich in einem Bereich der beiden Schenkel (10a, 10b) des ersten ferromagnetischen Elements (1) erstreckt, wobei das zweite ferromagnetische Element (2a) länger ist als ein Abstand zwischen den Schenkeln (10a, 10b) des ersten ferromagnetischen Elements (1), wodurch das zweite ferromagnetische Element (2a) in einem jeweiligen Überlappungsbereich mit den Schenkeln (10a, 10b) des ersten ferromagnetischen Elements (1) zur magnetischen Kopplung zumindest teilweise überlappt.
8. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 7, wobei das zweite ferromagnetische Element (2a) auf einer zum Basisabschnitt (11) des ersten ferromagnetischen Elements (1) hingelegenen Seite im jeweiligen Überlappungsbereich zum Basisabschnitt (11) des ersten ferromagnetischen Elements (1) hin vorspringt.
9. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 7 oder 8, wobei das zweite ferromagnetische Element (2a) auf einer vom Basisabschnitt (11) des ersten ferromagnetischen Elements (1) abgelegenen Seite in einem Bereich über die Schenkel (10a, 10b) des ersten ferromagnetischen Elements (1) hinaussteht und in diesem Bereich abgestumpfte Ecken aufweist.
10. Elektromagnetischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Magnetkomponenten ein drittes ferromagnetisches Element (2b) umfassen, wobei das dritte ferromagnetische Element (2b) mit dem Permanentmagneten (8) magnetisch gekoppelt ist, wobei das erste ferromagnetische Element (1) zwischen den zwei Extrempositionen beweglich ist, wobei das erste ferromagnetische Element (1) in einer der zwei Extrempositionen mit einem der beiden Schenkel (10a, 10b) am zweiten ferromagnetischen Element (2a) anschlägt und ein Abstand (6) zwischen dem anderen der beiden Schenkel (10a, 10b) und dem dritten ferromagnetischen Element (2b) gebildet ist und in der anderen der zwei Extrempositionen mit dem anderen der beiden Schenkel (10a, 10b) am zweiten ferromagnetischen Element (2a) anschlägt und ein Abstand (6) zwischen dem einen der beiden Schenkel (10a, 10b) und dem dritten ferromagnetischen Element (2b) gebildet ist.
11. Elektromagnetischer Energiewandler nach Anspruch 10, wobei zwischen dem dritten ferromagnetischen Element (2b) und dem Permanentmagneten (8) ein Abstand (6) gebildet ist.
12. Funkschalter (14) mit einem elektromagnetischen Energiewandler (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
13. Funkschalter (14) nach Anspruch 12, wobei der elektromagnetische Energiewandler (23) nach Anspruch 6 ausgeführt ist, wobei der Funkschalter (14) eine Auslöseeinheit (15) aufweist, die beweglich eingerichtet ist und mit dem Federelement (3, 3a, 3b) des Energiewandlers (23) gekoppelt ist zum Betätigen des Federelements (3, 3a, 3b).
14. Funkschalter (14) nach Anspruch 13, ferner aufweisend ein Rückstellelement (18) zum Rückstellen der Auslöseeinheit (15) in eine Initialposition der Auslöseeinheit (15).
15. Funkschalter (14) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner aufweisend einen oder mehrere Sensoren zum Messen von Messdaten physikalischer Parameter aus der Umgebung.
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