感应发电器和在使用感应发电器时用于生成电流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种感应发电器和一种在使用感应发电器时用于生成电流的方法。
【背景技术】
[0002]已经公知的例如在无线开关中使用的电磁式的能量转换器基本上总是利用同一原理。通过具有恒磁体的磁体系统的运动或者磁芯本身的运动造成在磁路中突然的磁通量变化，由此，借助感应在静止地位于磁芯上的线圈中产生了电能。在切换过程期间，系统通常利用了对磁路的完整的磁性换极。
[0003]DE 101 12 072 Al公开了一种具有操作器件的开关元件，该操作器件经由杠杆机构以如下方式与开关元件的能量转换器有效连接，即，操作器件的运动可以传递到能量转换器上。由此，能量转换器将投入用来操作操作器件的机械能中的至少一部分转换为电能。
【发明内容】
[0004]在该背景下，根据独立权利要求提出了一种经改进的感应发电器和一种用于生成电流的改进的方法。有利的设计方案从从属权利要求和随后的描述中得到。
[0005]关于感应发电器，从如下关系中计算电能:
[0006]Ee= En-Ev
[0007]Ev= E vn+Evng+Eve
[0008]在此适用的是:
[0009]Ee=电能
[0010]Em=机械能
[0011]Ev =损耗能量
[0012]Evm =机械损耗能量
[0013]Evmg=磁损耗能量
[0014]Eve =电损耗能量
[0015]除了如下事实以外，S卩，当针对能量转变，发电器的线圈代替明显更重的磁体系统运动时，感应发电器的功率可以明显得到改善，如下认识尤为重要，即，当为了产生电流，将尽可能大部分的线圈的绕组周边暴露于磁场时，感应发电器的效率还可以很大程度上得到改善。例如，将所有的、几乎所有的、大于四分之三或大于三分之二的线圈的绕组周边暴露于磁场。因此也就可以实现有效减少在绕组区域中的阻抗损耗并且进而实现更好的能量输出。利用在此提出的设计方案可以将如下两种情况以组合的方式实施，即，线圈代替磁体系统运动以及线圈尽可能全面地遍布磁场，并且实现高效的感应发电器。
[0016]根据在此提出的发明的实施形式设计的感应发电器例如适用于应用在具有扁平的结构形式的器具中，例如无线墙壁开关，如灯光开关或类似的安装式开关，其中，操作方向应该垂直于结构指向。在在此提出的设计方案中也就可以取消力导入的附加的机械转向。因此可以实现进一步的效率提尚。
[0017]如下关系适用于动能或运动能:
[0018]Ekin.= 0.5 XmX V 2
[0019]在此适用的是:
[0020]Ekin.=动能
[0021]m =质量
[0022]V =速度
[0023]发电器的电能如下进行计算:
[0024]Eel.= U2X t/R
[0025]在此适用的是:
[0026]Eel.=电能
[0027]U =电压
[0028]t =时间
[0029]R=电阻
[0030]V^U
[0031]因此更有意义的是，投入对速度或电压的提高来代替对质量或时间的提高，尤其考虑到如下事实，即，由于自然条件，对铁磁路中的磁通量密度的静磁性的提升仅能够实现至一定的度，这是因为最好的软磁性的材料也仅可以完成大致2.4T的最大的磁通量密度。明显想要达到的是，将磁通量密度或磁场保持得尽可能的高；基于成本的原因，磁通量密度例如可以选定在1.8至2.0T的范围内(Fe、FeSi)。线圈阻抗的减少可以额外地有利促进能量获取。
[0032]根据本发明的实施形式，在电磁式的能量转换中，通过如下方式可以决定性地对效率进行改进，即，取消铁磁路的相对重的元件，亦即，磁体元件或磁芯，在短的行程上尽可能快地加速，并且在循环结束时尽可能快地制动。
[0033]利用在此提出的设计方案，现在可以转化最大部分的否则在冲撞中未被利用地消耗掉的能量。附加地，可以减少噪音生成，并且延长发电器的使用寿命。在这里提出的感应发电器的高效率尤其是归因于如下事实，即，不再需要用于加速相对来说难以运动的磁体系统的力。作为辅助效果，也消除了在对可运动的部件线性支承中的机械损耗以及由于相对来说低的固有频率导致的如下的危险，即，系统在与结合实际的震动频谱中处于不期望的谐振的状态下并且产生能量，这在无线开关中可能导致产生不期望的无线信号。
[0034]根据在此提出的情况成为多余的是，对与感应线圈共同作用的磁芯或线圈芯完全换极。这样就不必遭受或仅遭受很小的磁损耗。根据本发明的实施形式设计的感应发电器不需要减小效率的传动装置，并且不具有在机械上容易发生故障的复杂的结构。
[0035]根据在此提出的设计方案设计的感应发电器，可以将例如对于自给式的无线系统是重要的最佳的机电式的能量转换器的所有标准集于一体。属于此的有结构空间小、能量密度高、效率高、激活行程短、激活力小、噪音生成少、能量大小尽可能恒定、与操作速度无关的性能、相对于温度变化的稳定性、机械稳定性以及制造成本少。
[0036]所述的情况满足了如下自给式的无线系统的越来越高的需求，这些自给式的无线系统能够以高的发射功率和多次重复性实现昂贵的无线协议，如KNXRF、ZigBe, BluetoothLow Energy或W-LAN。这只有利用性能极为卓越的发电器(0.7至2mW)才能够实现。将所公知的能量转换器的简单的变大在此不是主要目标，这是因为由于继续提升的操作力和规格以及增加的噪音生成，所以将这种系统的可操纵性被排除在外或非常困难。随后描述的感应发电器可以用于这种在结构形状小的情况下需要大的能量输出的应用领域。
[0037]一种感应发电器，其具有用于产生永磁场的磁体机构、呈环形的线圈、弹簧元件和被永磁场穿过的空气通道，其中，磁体机构包括第一极区段、第二极区段和布置在第一极区段与第二极区段之间的磁体，线圈与弹簧元件连接，并且可运动地布置在空气通道中，并且弹簧元件构造用于响应于线圈的偏置地引起线圈在空气通道内的横向于在空气通道里面的永磁场的磁通量的振荡运动，其特征在于，空气通道具有环形形状，并且构造用于全面地接收呈环形的线圈。
[0038]感应发电器或者说电发生器指的是构造用于借助电磁感应产生电流或电压的设备。此类的感应发电器例如可以结合例如用于接通和关闭照明装置的自给式的无线开关使用。磁体机构的部件例如可以具有铁、钴、镍或铁氧体或由这些金属的多个构成的合金，并且构造用于形成静态的磁场、永磁场。磁体机构可以一件式地形成，从而第一极区段、第二极区段和位于它们之间的磁体在外部不会形成磁体机构的可辨认的各个区域。这些区域之间的过渡在此可以是畅通无阻的，其中，第一或第二极区段可以形成北极，相应另一极区段可以形成磁体机构的南极。磁体的各一半可以配属于磁体机构的北极区域和南极区域。
[0039]替选地，磁体机构也可以多件式地形成。根据该实施形式，磁体可以构造为独立的具有北极和南极的恒磁体或者说永磁体。第一和第二极区段例如可以由各一个极片(poIschuh)形成，其中，其中一个极片与磁体的南极邻接地布置，而另一极片可以与磁体的北极邻接地布置。极片可以由具有高的导磁性的材料，例如铁制成。极片可以通过磁体的相应邻接的极的极性进行磁化，并且磁体的磁场线可以以限定的形式出现。尤其地，第一和第二极区段可以具有不同的大小和形状。
[0040]此外，空气通道的环形形状可以呈圆形或有棱角地，例如呈矩形、呈三角形或呈四边形地延伸。空气通道可以具有底部、内壁和与内壁对置的外壁。空气通道的底部可以平行于感应发电器的由第一极区段形成的基本面地延伸。空气通道可以向上敞开，或者通过通道覆盖件覆盖。空气通道的横截面可以持续地保持相同。永磁场的磁通量(根据磁体的极性)可以从空气通道的内壁向外壁延伸，或者相反地从空气通道的外壁向内壁延伸。
[0041]呈环形的线圈可以是由一个或多个电导体(例如铜丝)构成的绕组。尤其地，(匹配于空气通道的规格的)线圈的环形形状的成型可以相应于呈环形的空气通道的环形形状，从而使线圈优选可以均等地，与空气通道的壁和底部间隔开地布置在该空气通道中。呈环形的线圈可以如下这样地与弹簧元件连接，即，呈环形的线圈能垂直于其绕组平面偏置地支承在空气通道中。呈环形的线圈的偏置可以通过感应发电器的偏置器件实现，以便猛烈地发出线圈的能够通过弹簧元件实现的振荡运动。振荡运动可以指的是阻尼振动，其强度依赖于特别的结构和/或弹簧元件的特别的弹簧力地随着时间减弱，并且最终逐渐消失。经由线圈的横向于永磁场的磁通量实现的振动可以在形成线圈的导体中产生电流量。尤其地，呈环形的线圈可以无芯地构成。换言之，线圈的绕组可以在线圈绕组载体上实施，其中，以如下方式设计线圈绕组载体，即，可保持的或稳定的绕组可以用于构成呈环形的线圈。线圈绕组载体可以优选由框架元件构成，框架元件其自身可以一件式或多件式地成形。以该方式可以实施具有特别小的重量的线圈。由此得到的优点在于，线圈可以与仅很小的阻力相抗地非常快速地从静止位置转移至振动中，并且振动自身可以具有非常高的频率。因此，感应发电器的效率可以得到改进。可以使用一个或多个弹簧元件，它们对线圈承载并且能够实现线圈的振荡运动。弹簧元件可以包括一个或多个适当地实施的弹簧，例如弯曲弹簧、拉伸弹簧或压缩弹簧。弹簧元件可以构造用于承载线圈，并且能够实现线圈的振荡运动。
[0042]根据感应发电器的实施形式，空气通道可以通过至少两个相对置的壁区域限界，其中，其中一个壁区域可以由第一极区段的壁区段构造，而另一壁区域可以由第二极区段的侧面构造。为此，第一极区段、磁体和第二极区段可以以形成堆垛的方式上下叠置地布置，其中，此外，第一极区段优选可以形成感应发电器的底部元件或基本元件。根据磁体机构的优选的设计方案，要么第一极区段的壁区段可以构成空气通道的内壁，并且第二极区段的壁区段可以构成空气通道的外壁，要么相反地，第一极区段的壁区段可以构成空气通道的外壁，并且第二极区段的壁区段可以构成空气通道的内壁。
[0043]例如，第一极区段可以成形为锅形件，用以接收磁体和第二极区段，其中，第一极区段的壁区段由呈锅形的第一极区段的环绕的外边缘区域构成。为了形成锅形件，第一极区段的环绕的外边缘区域可以以凸缘(Krempe)的形式如下这样地进行翻卷，S卩，被翻卷的区域垂直于第一极区段的剩余区域地延伸，其中，指向感应发电器的中间的或径向向内指向的壁区段形成空气通道的外壁。相应地，布置在锅形件里面的第二极区段的侧面可以形成空气通道的平行于外壁延伸的内壁。侧面在此径向向外指向。该实施形式具有如下优点，即，相对于感应发电器的外部区域良好地保护磁体。
[0044]替选地，磁体机构可以呈环形地构成，其中，第一极区段成形为轮毂状的环形接收部，用以接收磁体和第二极区段。第一极区段的壁区段在此由第一极区段的柱体状的中间区域构成。被翻卷的区域又可以垂直于第一极区段的剩余区域地延伸，其中，然而，被翻卷的区域或壁区段在此形成空气通道的内壁。剩余区域成形为用于接收呈环形的磁体和呈环形的第二极区段的撑托面。相应地，呈环形的、放置到柱体状的中间区域上的第二极区段的内表面可以形成空气通道的外壁。例如，磁体机构可以构造为呈圆形的环形件。通过使用环形磁体可以特别廉价地制成感应发电器，这是因为为此可以动用廉价的材料。
[0045]尤其地，第一极区段的柱体状的中间区域从围住中间区域的剩余区域起可以具有相应于磁体和第二极区段的材料厚度的高度。换言之，磁体机构可以在于，使第一和第二极区段的朝相同方向指向的自由表面侧处于共同的平面中，由此可以提供具有最大的撑托表面或贴