DE102009060617A1

DE102009060617A1 - Generatoranordnung und Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung

Info

Publication number: DE102009060617A1
Application number: DE102009060617A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. 63571 Staake; Thomas Dr. 61203 Stiefmeier
Original assignee: Amphiro AG
Current assignee: Amphiro AG
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: DE102009060617B4; WO2011080252A2; WO2011080252A3

Abstract

Eine Generatoranordnung umfasst eine Turbine (11), einen Träger (13), eine Achse (14), ein Lager (15) und eine Spule (17). Das Material der Turbine (11) ist mindestens teilweise magnetisiert. Alternativ ist die Turbine (11) fest mit einem Magneten (12) verbunden. Die Turbine (11) und/oder der Magnet (12) weisen ein Material aus einer Gruppe, umfassend ein ferromagnetisches Material, ein ferrimagne, auf. Die Turbine (11) ist von einem Fluid in eine Drehbewegung zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetfeldes versetzbar. Die Achse (14) und das Lager (15) koppeln die Turbine (11) mit dem Träger (13). Die Spule (17) ist zur Erfassung des sich ändernden Magnetfeldes ausgelegt, wobei die Spule (17) fest mit dem Träger (13) verbunden ist. Die Generatoranordnung (10) ist ausgelegt, eine Generatorspannung (UG) ausgangsseitig an der Spule (17) bereitzustellen, die zur Ermittlung der durch die Generatoranordnung (10) fließenden Durchflussmenge (FLM) und zur Energieversorgung einer elektrischen Schaltung (68) einsetzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Generatoranordnung, eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs mit einer Generatoranordnung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung.
Eine Generatoranordnung wandelt eine kinetische und eine potentielle Energie eines Fluids, wie beispielsweise Wasser, in elektrische Energie um.
Dokument US 2007/0037470 A1 befasst sich mit einem Generator, der elektrische Energie zum Betrieb von Leuchtdioden erzeugt.
Eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs dient dazu, Informationen wie beispielsweise die Durchflussmenge eines Fluids einem Verbraucher anzuzeigen.
Dokumente US 3,342,070 , EP 0950877 A2 , EP 0990877 A2 , EP 1858144 A2 , US 6,612,188 B2 , EP 1884292 A1 , GB 2434207 A und EP 1367370 A1 zeigen verschiedene Anordnungen zur Bestimmung von Fluidparametern, wie etwa einer Durchflussmenge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Generatoranordnung, eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs mit einer Generatoranordnung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung bereitzustellen, welche eine kosteneffiziente Herstellung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der Patentansprüche 1 und 12 sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform umfasst die Generatoranordnung eine Turbine, einen Träger, eine Achse, mindestens ein Lager sowie mindestens eine Spule. Das Material der Turbine ist mindestens teilweise magnetisiert. Alternativ ist die Turbine fest mit einem Magneten verbunden. Dabei weist mindestens eine Komponente aus einer Gruppe, umfassend die Turbine und den Magnet, ein Material aus einer Gruppe, umfassend ein ferromagnetisches Material, ein ferrimagnetisches Material und ein Metall der Seltenen Erden, auf. Die Turbine ist von einem Fluid in eine Drehbewegung zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetfeldes versetzbar. Die Achse und das mindestens eine Lager koppeln die Turbine mit dem Träger. Darüber hinaus ist die mindestens eine Spule fest mit dem Träger verbunden. Die mindestens eine Spule dient zur Erfassung des sich ändernden Magnetfeldes. Weiter ist die Generatoranordnung ausgelegt, eine Generatorspannung ausgangsseitig an der mindestens einen Spule bereitzustellen. Die Generatorspannung wird zur Ermittlung der durch die Generatoranordnung fließenden Durchflussmenge und zur Energieversorgung einer elektrischen Schaltung eingesetzt.
Mit Vorteil wird keine externe Stromversorgung zum Betrieb der Generatoranordnung benötigt. Vorteilhafterweise kann die Generatorspannung als Indikator für die Durchflussmenge verwendet werden. Daher kann eine kosteneffiziente Herstellung der Generatoranordnung erreicht werden. Mit Vorteil ist die Turbine bei einer Verwendung eines ferromagnetischen oder eines ferrimagnetischen Materials oder eines Metalls der Seltenen Erden mindestens teilweise magnetisiert. Die Turbine kann als weiteres Material ein Metall oder einen Kunststoff aufweisen. Der Kunststoff kann Polytetrafluorethylen, abgekürzt PTFE, oder Polyphenylenether, abgekürzt PPE, oder eine Mischung mit PPE oder PTFE sein. Eine mit einem Magneten verbundene Turbine kann als Material ein Metall oder einen Kunststoff aufweisen. Der Kunststoff kann Polytetrafluorethylen, abgekürzt PTFE, oder Polyphenylenether, abgekürzt PPE, oder eine Mischung mit PPE oder PTFE sein. PPE wird auch als Poly(oxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylen) oder Polyether bezeichnet. PPE ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer Kunststoff mit der Formel (C₈H₈O)_n. Die Mischung kann ein Elend von PPE mit Polystyrol, Styrol-Butadien-Copolymer oder Polyamid sein. Das Styrol-Butadien-Copolymer ist schlagzäh. Die Achse kann auch als Welle bezeichnet werden. Die Generatoranordnung setzt mit Vorteil einen Teil der kinetischen und der potentiellen Energie des Fluids in elektrische Energie um. Die elektrische Energie kann von der mindestens einen Spule bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform weist ein Körper, insbesondere die Turbine oder der Magnet, welcher ein Metall der Seltenen Erden umfasst, einen Überzug auf. Der Überzug kann mindestens eine Schicht aus einer Gruppe, umfassend eine Nickel-, Gold-, Chrom- und Kunststoffschicht, aufweisen. Durch die Vernickelung, Vergoldung, Verchromung beziehungsweise die Kunststoffeinhüllung kann das Metall der Seltenen Erde vor Wasser geschützt werden.
Ein ferromagnetisches Material kann ein reines Metall, insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel, oder eine ferromagnetische Legierung, insbesondere Aluminium-Nickel-Cobalt AlNiCo, Samarium-Cobalt SmCo, Neodym-Eisen-Bor Nd₂Fe₁₄B, Nickel-Eisen Ni-Fe oder Nickel-Eisen-Cobalt NiFeCo, oder ein Material wie Chromdioxid, Manganarsenid oder Europium(II)-oxid sein. Ein Material mit ferrimagnetischen Eigenschaften wird als Ferrit bezeichnet. Ein Ferrit kann Eisen sowie mindestens ein weiteres zweiwertiges Metallion, insbesondere Kupfer, Nickel, Zink, Magnesium oder Mangan, enthalten.
In einer Ausführungsform koppeln die Achse und das mindestens eine Lager die Turbine mit dem Träger so, dass die Turbine nicht nur in eine Drehbewegung versetzt werden kann, sondern auch axial beweglich ist. Bei einer axialen Bewegung wird die Turbine in der Richtung der Achse translatorisch bewegt. Aufgrund der axialen Beweglichkeit kann die Lage der Turbine zum Träger und damit zur mindestens einen Spule optimiert werden. Aufgrund der axialen Beweglichkeit kann die Turbine so bewegt werden, dass die kinetische und die potentielle Energie des Fluids mit einem hohen Wirkungsgrad eingesetzt wird.
In einer Ausführungsform hat eine Turbine einen Außendurchmesser aus einem Bereich von 4 mm bis 1 m, bevorzugt aus einem Bereich zwischen 6 und 20 mm. Die Turbine kann eine Francis-, Kaplan-, Pelton- oder Michell-Banki-Turbine oder ein Stirnrad sein. Die Turbine kann eine modifizierte Ausführung einer Francis-, Kaplan-, Pelton- oder Michell-Banki-Turbine oder eines Stirnrads sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Generatoranordnung einen magnetisierbaren Abschirmkörper. Der magnetisierbare Abschirmkörper weist ein ferromagnetisches oder ein ferrimagnetisches Material auf. Das Material des magnetisierbaren Abschirmkörpers kann Eisen, insbesondere Weicheisen, sein. Der magnetisierbare Abschirmkörper ist fest mit dem Träger verbunden. Dabei ist die Spule zwischen dem magnetisierbaren Abschirmkörper und der Turbine beziehungsweise dem mit der Turbine verbundenen Magneten angeordnet. Die Spule kann formschlüssig mit dem magnetisierbaren Abschirmkörper verbunden sein. In einer Ausführungsform kann der magnetisierbare Abschirmkörper das magnetisierte Material der Turbine oder den mit der Turbine verbundenen Magneten derart anziehen, dass die Turbine axial zum Träger und damit zur Spule verschoben wird. Mit Vorteil kann mittels des magnetisierbaren Abschirmkörpers ein einfacher und kosteneffektiver Aufbau erreicht werden.
In einer Ausführungsform ist das Fluid Wasser. Das Fluid kann Kaltwasser, Heißwasser oder ein Gemisch aus Kalt- und Heißwasser sein. Alternativ kann das Fluid Wasserdampf, ein Gas, ein Gasgemisch, Erdgas sowie eine Flüssigkeit wie Rohöl, Öl, Benzin, Diesel, eine chemische Lösung oder Abwasser sein.
In einer Ausführungsform umfasst eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs die Generatoranordnung. Weiter umfasst die Anordnung die elektrische Schaltung. Die elektrische Schaltung kann einen Mikroprozessor aufweisen. Der Mikroprozessor kann mit der mindestens einen Spule verbunden sein. Der Mikroprozessor kann dazu ausgelegt sein, aus der Generatorspannung oder einem aus der Generatorspannung gewonnenen Durchflusssignal die Durchflussmenge des Fluids zu bestimmen.
Mit Vorteil kann mittels der Generatoranordnung die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs mit elektrischer Energie versorgt werden. Aufgrund der Drehbewegung liegt die Generatorspannung als Wechselspannung vor. Weiter kann die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs die Generatorspannung derart auswerten, dass ein Rotationswinkel der Turbine, eine Rotationsdauer oder eine Rotationsfrequenz der Turbine und daraus die Durchflussmenge des Fluids bestimmt werden können.
Die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs kann in einer Armatur, insbesondere in einem Wasserhahn, einer Mischbatterie, einem Duschschlauch, einem Duschkopf und einem Gartenschlauch, angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung ein Versetzen einer Turbine, deren Material mindestens teilweise magnetisiert ist oder die fest mit einem Magneten verbunden ist, durch einen Fluid in eine Drehbewegung. Die Turbine und/oder der Magnet weisen ein Material aus einer Gruppe auf, umfassend ein ferromagnetisches Material, ein ferrimagnetisches Material und ein Metall der Seltenen Erden. Die Drehbewegung erzeugt ein sich ändernden Magnetfeld. Eine Generatorspannung wird mittels mindestens einer Spule aus dem sich ändernden Magnetfeld erzeugt. Eine Durchflussmenge wird aus der Generatorspannung ermittelt. Aus der Generatorspannung wird eine Versorgungsspannung generiert, die eine elektrische Schaltung mit elektrischer Energie versorgt.
Durch die Verwendung der Generatorspannung als Indikator für die Durchflussmenge und zur Energieversorgung ist das Verfahren kostengünstig durchführbar.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Komponenten, Strukturen oder Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Komponenten, Strukturteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt. Es zeigen:
1A und 1B beispielhafte Ausführungsformen einer Generatoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2A bis 2F beispielhafte Ausführungsformen von Details einer Generatoranordnung und
3A bis 3C beispielhafte Ausführungsformen einer Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Generatoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Generatoranordnung 10 umfasst eine Turbine 11 sowie einen Magneten 12. Die Turbine 11 und der Magnet 12 sind fest miteinander verbunden. Die Turbine 11 weist mindestens eine Schaufel 52 auf. Die Turbine enthält ein Metall und/oder einen Kunststoff. Der Kunststoff kann PTFE oder PPE oder eine Mischung mit PPE oder PTFE sein. Weiter umfasst die Generatoranordnung 10 einen Träger 13, eine Achse 14 und ein Lager 15. Die Achse 14 ist fest mit dem Träger 13 verbunden. Die Achse 14 ist unbeweglich und dreht sich nicht. Die Achse 14 ist auf den Träger 13 montiert. Dazu wird die Achse 14 in den Träger 13 eingepresst. Alternativ kann die Achse 14 durch eine Kleb- oder eine Schraubverbindung auf den Träger 13 montiert werden. Das Lager 15 ist zwischen der Turbine 11 und der Achse 14 angeordnet. Die Generatoranordnung 10 umfasst ein weiteres Lager 16, welches zwischen dem Magneten 12 und der Achse 14 angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die Generatoranordnung 10 eine Spule 17, die über eine nicht gezeigte mechanische Verbindung fest mit dem Träger 13 verbunden ist. Die Spule 17 ist in einer nicht gezeigten Kammer angeordnet. Die Spule 17 ist nicht mit dem Fluid in Berührung. Der Magnet 12 ist derart angeordnet, dass er sich zwischen der Spule 17 und der Achse 14 zumindest teilweise und zumindest während eines Teils der Dauer einer Drehbewegung der Turbine 11 befindet. Weiter umfasst die Generatoranordnung 10 einen magnetisierbaren Abschirmkörper 18, der über eine nicht gezeigte mechanische Verbindung fest mit dem Träger 13 verbunden ist. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 ist als Ring ausgebildet. Der Magnet 12 ist im Inneren des Rings des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 angeordnet.
Ein Fluidstrom FL treibt die Turbine 11 an. Die Turbine 11 und der Magnet 12 werden in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehbewegung des Magneten 12 erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld B am Ort der Spule 17. Dadurch ist zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss 31, 32 der Spule 17 eine Generatorspannung UG abgreifbar. Die Turbine 11 sowie der Magnet 12 befinden sich mindestens teilweise im Fluid. Die Spule 17 ist mit Vorteil sehr nahe am Magneten 12 angebracht. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 befindet sich in der Kammer, in der die Spule 17 angeordnet ist, oder ist vergossen. Ein magnetisierbares Material des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 kommt nicht mit dem Fluid in Berührung. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 weist eine Oberfläche auf, die gegen Oxidation geschützt ist. Ebenso ist ein Außendurchmesser des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 sehr klein, sodass insgesamt eine sehr kleine Baugröße der Generatoranordnung 10 erzielt wird.
Das Lager 15 ist als Gleitlager realisiert. Das Gleitlager ist als Kunststoffgleitlager ausgebildet. Auch das weitere Lager 16 ist als Gleitlager ausgebildet. Das Lager 15 und das weitere Lager 16 ermöglichen eine Rotationsbewegung der Turbine 11 und des Magneten 12. Darüber hinaus ermöglicht das Gleitlager 15 eine axiale Bewegung der Turbine 11. Die Turbine 11 kann translatorisch entlang der Achse 14 mit Hilfe des Lagers 15 bewegt werden. Entsprechend ermöglicht auch das weitere Lager 16 eine axiale Bewegung des Magneten entlang der Achse 14. Die Gleitlager weisen jeweils eine Gleitbuchse auf, die fest mit der Turbine 11 beziehungsweise dem Magnet 12 verbunden ist. Die Gleitbuchse bewegt sich direkt oder nur durch einen Schmierfilm getrennt an der Achse 14 vorbei. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 zieht den Magneten 12 derart an, dass der Magnet 12 sich innerhalb des vom magnetisierbaren Abschirmkörper 18 umgebenen Zylinders befindet. Die Spule 17 ist zum magnetisierbaren Abschirmkörper 18 ausgerichtet. Durch die axiale Ausrichtung des Magneten 12 zur Spule 17 mittels des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 wird erreicht, dass ein möglichst hoher Wert für das Magnetfeld B, das am Ort der Spule 17 vorhanden ist, erzielt wird. Die Spule 17 ist somit als Stator der Generatoranordnung 10 und der Magnet 12 als Rotor der Generatoranordnung 10 ausgelegt. Die Generatoranordnung 10 kann einfach montiert werden. Eine Kalibrierung der Generatoranordnung 10 ist nicht erforderlich.
In einer alternativen Ausführungsform können der Träger 13 sowie die Achse 14 zusammen als ein Stück hergestellt sein. Der Träger 13 und die Achse 14 können einstückig in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Gleitbuchse des Lagers 15 und die Turbine 11 einstückig realisiert. Das Lager 15 ist somit in der Turbine 11 integriert. Die Turbine 11 und die Gleitbuchse des Lagers 15 können aus Kunststoff sein. Der Kunststoff kann PTFE oder PPE oder eine Mischung mit PPE oder PTFE sein. Die Achse 14 kann beispielsweise Stahl enthalten. Die Achse 14 aus Stahl weist sehr gute Gleiteigenschaften in einer Gleitbuchse aus PTFE oder PPE oder einer Mischung mit PPE oder PTFE auf.
In einer alternativen Ausführdungsform ist das Lager 15 oder das weitere Lager 16 weggelassen.
1B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Generatoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Generatoranordnung 10' gemäß 1B ist eine Weiterbildung der in 1A gezeigten Generatoranordnung. Die Achse 14 ist fest mit der Turbine 11 verbunden. Weiter ist die Achse 14 fest mit dem Magneten 12 verbunden. Das Lager 15 ist zwischen der Achse 14 und dem Träger 13 angeordnet. Das weitere Lager 16 ist ebenfalls zwischen dem Träger 13 und der Achse 14 angeordnet. Das Lager 15 sowie das weitere Lager 16 sind als Gleitlager realisiert. Somit ermöglichen das Lager 14 und das weitere Lager 16 eine rotierende Bewegung und eine translatorische Bewegung der Achse 14 zum Träger 13. Damit ist der Träger 13 translatorisch zur Turbine 11 beziehungsweise dem Magneten 12 bewegbar. Der Träger 13 ist als Gehäuse 19 realisiert. Das Gehäuse 19 weist einen Fluideinlass 20, eine Fluid-führende Kammer 21 sowie einen Fluidauslass 22 auf. Der Fluidstrom FL fließt durch den Fluideinlass 20 in die Kammer 21 ein und über den Fluidauslass 22 aus dem Gehäuse 19 aus. Die Turbine 11 und der Magnet 12 befinden sich in der Kammer 21. Ein Kanal 53 des Gehäuses 19 leitet den Fluidstrom FL tangential zur Turbine 11. Weiter befinden sich die Spule 17 sowie der magnetisierbare Abschirmkörper 18 in der Kammer 21.
Das Gehäuse 19 kann mit einer zweiteiligen Spritzgussform hergestellt werden. Der Magnet 12 hat in Richtung der Achse 14 eine erste Ausdehnung B1. Entsprechend hat der magnetisierbare Abschirmkörper 18 in Richtung der Achse 14 eine zweite Ausdehnung B2. Die zweite Ausdehnung B2 entspricht näherungsweise der ersten Ausdehnung B1. Der Absolutbetrag der Differenz zwischen der ersten Ausdehnung B1 und der zweiten Ausdehnung B2 ist kleiner oder gleich 4 mm. Der Innendurchmesser des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 ist größer als 16 mm.
Der Fluidstrom FL versetzt die Turbine 11, den Magneten 12 sowie die Achse 14 in eine Drehbewegung. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 richtet den Magneten 12 und die damit verbundene Achse 14 derart aus, dass der Magnet 12 sich im Inneren des vom magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 umgrenzten Zylinders befindet. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 verstärkt das Magnetfeld am Ort der Spule 17. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 richtet die Baugruppe von Magnet 12 und Turbine 11 im Gehäuse 19 so aus, dass eine möglichst hohe Generatorspannung UG erzeugt wird. Die Ausrichtung zwischen der Turbine 11 beziehungsweise dem Magnet 12 und der Spule 17 sowie die Ausrichtung zum Kanal 53 erfolgt mit magnetischen Rückstellkräften. Die Ausrichtung wird somit von der Generatoranordnung 10 selbsttätig durchgeführt. Eine manuelle Justage der beweglichen zu den festen Komponenten der Generatoranordnung 10 kann somit vermieden werden.
In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der magnetisierbare Abschirmkörper 18 außerhalb des Gehäuses 19 angebracht.
In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist die Spule 17 sowie der magnetisierbare Abschirmkörper 18 beide außerhalb des Gehäuses 19 angeordnet. Mit Vorteil wird somit der magnetisierbare Abschirmkörper 18 sowie die Spule 17 nicht vom Fluid umströmt. Dadurch ist das Risiko einer Korrosion des magnetisierbaren Abschirmkörpers 18 verringert. Weiter wird vorteilhafterweise die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Anschlüssen oder den Windungen der Spule 17 sowie einer Korrosion der Spule 17 verringert.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist das Lager 15 als ein durchgehendes Loch oder ein Sackloch im Gehäuse 19 realisiert. Die Achse 14 ist im durchgehenden Loch beziehungsweise im Sackloch beweglich. Auch das weitere Lager 16 kann als durchgehendes Loch oder Sackloch im Gehäuse 19 ausgebildet sein. Die Lager sind kosteneffektiv realisiert.
2A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Details einer Generatoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 2A zeigt einen Querschnitt durch die Generatoranordnung gemäß 1A entlang der Linie AA'. Der Magnet 12 ist als Kreisring ausgebildet. Der Magnet 12 ist ein Ringmagnet. Weiter weist der Magnet 12 genau ein Polpaar 33 auf. Der Magnet 12 ist als diametral magnetisierter Magnet realisiert. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 ist im Querschnitt gemäß 2A als Kreisring ausgebildet. Die Spule 17 ist als Abschnitt eines Kreisrings realisiert. Die Spule 17 ist derart ausgebildet, dass nur ein schmaler Spalt zwischen dem Magneten 12 und der Spule 17 vorhanden ist. Weiter ist die Spule 17 derart realisiert, dass ebenfalls nur ein schmaler Spalt zwischen der Spule 17 und dem magnetisierbaren Abschirmkörper 18 vorhanden ist. Die Spule 17 ist derart realisiert, dass sie die Hälfte eines Kreisrings bildet.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Spule 17 mit dem magnetisierbaren Abschirmkörper 18 verbunden. So kann beispielsweise ein Kleber die Spule 17 am magnetisierbaren Abschirmkörper 18 befestigen.
2B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Details der Generatoranordnung. Gemäß 2B umfasst die Generatoranordnung 10 eine weitere Spule 30. Die weitere Spule 30 ist fest mit dem Träger 13 verbunden. Die Spule 17 sowie die weitere Spule 30 nehmen jeweils einen Raum ein, der kleiner als die Hälfte eines Kreisrings um den Magneten 12 sind. Die Spule 17 sowie die weitere Spule 30 sind seriell miteinander verbunden. Der Magnet 12 ist scheibenförmig realisiert. Zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 31, 32 ist die Generatorspannung UG abgreifbar. Die Generatorspannung UG ist die Summe der an der Spule 17 und an der weiteren Spule 30 abgreifbaren Spannungen.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist der Magnet 12 als stabförmiger Magnet ausgebildet.
2C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Details der Generatoranordnung. Gemäß 2C umfasst der Magnet 12 genau zwei Polpaare, nämlich das Polpaar 33 und das weitere Polpaar 34.
2D zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Details der Generatoranordnung. Gemäß 2D weist der Magnet 12 eine erste Anzahl N von Polpaaren auf. Die erste Anzahl N ist größer oder gleich 1. Gemäß 2D hat N den Wert 3. Weiter weist die Generatoranordnung 10 eine Anzahl 2·N Spulen auf. Gemäß 2D umfasst die Generatoranordnung somit sechs Spulen, nämlich die Spule 17, die weitere Spule 30 sowie vier zusätzliche Spulen 36 bis 39. Die Spule 17, die weitere Spule 30 sowie die zusätzlichen Spulen 36 bis 39 sind seriell miteinander verbunden. Somit ist zwischen den beiden Anschlüssen 31, 32 eine Generatorspannung UG abgreifbar, die der Summe der Spannungen an den sechs Spulen 17, 30, 36 bis 39 entspricht. Gemäß 2B bis 2D ist der Magnet 12 als scheibenförmiger Magnet ausgebildet. Der Magnet 12 gemäß 2C und 2D ist sektoriell polarisiert.
2E und 2F zeigen eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Details der Generatoranordnung in zwei aufeinander senkrecht stehenden Querschnitten. Die Turbine 11 weist ein Material auf, das zumindest teilweise magnetisiert ist. Dazu weist die Turbine 11 einen magnetisierten Kern 50 sowie ein äußeres Turbinenteil 51 auf. Der magnetisierte Kern 50 ist als Kreisring ausgebildet. Das äußere Turbinenteil 51 umschließt den magnetisierten Kern 50. Der magnetische Kern 50 ist innerhalb des äußeren Turbinenteils 51 angeordnet. Das äußere Turbinenteil 51 weist eine zweite Anzahl M Schaufeln 52 auf. Das äußere Turbinenteil 51 kann aus Kunststoff sein. Die zweite Anzahl M hat im Beispiel gemäß 2E den Wert 16. Weiter weist die Generatoranordnung 10 den Kanal 53 auf. Der Kanal 53 lenkt den Fluidstrom FL zu den Schaufeln 52. Die Turbine 11 wird mittels des Kanals 53 tangential angeströmt. Die Turbine 11 ist als Turbinenrad, Wasserrad oder Schaufelradturbine realisiert. Der magnetisierbare Abschirmkörper 18 ist innerhalb des Gehäuses 19 angeordnet. Alternativ kann er außerhalb des Gehäuses 19 angeordnet sein.
3A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs 60 weist die Generatoranordnung 10 auf. Die Generatoranordnung 10 umfasst die Turbine 11, die fest und permanent mit dem Magneten 12 verbunden ist, sowie den Träger 13. Die Turbine 11 und der Magnet 12 sind direkt und permanent mit der Achse 14 verbunden. Die Achse 14 ist über das Lager 15 mit dem Träger 13 gekoppelt. Der Träger 13 ist als Gehäuse 19 realisiert. Auf dem Träger 13 ist die Spule 17 angeordnet. Die Spule 17 befindet sich auf der Außenseite des Gehäuses 19. Die Spule 17 ist durch das Gehäuse 19 vom Fluid getrennt. Ferner sind ein Spannungswandler 63 und eine elektrische Schaltung 68 auf dem Träger 13 angeordnet. Die elektrische Schaltung 68 umfasst einen Mikroprozessor 61, einen Speicher 62 und eine Auswerteschaltung 64. Die elektrische Schaltung 68 ist durch das Gehäuse 19 vom Fluid getrennt. Das Gehäuse 19 weist den Kanal 53 auf. Im Fluideinlass 20 ist ein Sieb 65 angeordnet. Hingegen ist im Fluidauslass 22 ein Fluidstrahlregler 66 befestigt. Weiter umfasst die Generatoranordnung 10 einen Temperatursensor 67.
Der Fluidstrom FL tritt durch das Sieb 65 in die Kammer 21 des Gehäuses 19 ein. Mittels des Kanals 53 wird der Fluidstrom FL auf die Schaufeln 52 der Turbine 11 geleitet. Anschließend tritt der Fluidstrom FL durch den Fluidstrahlregler 66 aus. Die vom Fluidstrom FL erzeugte Rotationsbewegung der Turbine 11 generiert die Generatorspannung UG in der Spule 17. Das Sieb 65 dient zum Schutz der in der Kammer 21 befindlichen Komponenten vor Verschmutzung. In einer Ausführungsform ist der Kanal 53 so dimensioniert, dass die Anordnung 60 als Durchflussbegrenzer dienen kann. Dabei begrenzen Reibung oder Turbulenzen den Fluidstrom FL.
Alternativ kann ein Durchflussbegrenzer 69 anstelle der Fluidstrahlreglers 66 im Fluidauslass 22 angeordnet sein.
3B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs. Die Anordnung 60' gemäß 3B ist eine Weiterbildung der in 3A gezeigten Anordnung. Gemäß 3B strömt das Fluid die Turbine 11 in Richtung der Achse 14 an. Die Turbine 11 sowie der Magnet 12 sind über die Achse 14 mit dem Träger 13 gekoppelt. Der Träger 13 ist als Gehäuse 19 realisiert. Weiter umfasst die Anordnung 60 ein äußeres Gehäuse 70. Der Fluidauslass 22 weist den Fluidstrahlregler 66 und einen Durchflussbegrenzer 69 auf. Das äußere Gehäuse 70 umfasst nicht eingezeichnete Verbindungsmöglichkeiten, wie etwa ein Gewinde oder eine Kupplung, mit denen die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs 60' mit einer Fluidzufuhr 71 und einer Fluidabgabe 72 verbunden werden kann. Ein Außendurchmesser des äußeren Gehäuses 70 kann einen Wert zwischen 10 und 200 mm, bevorzugt zwischen 18 und 21 mm annehmen. Somit kann das äußere Gehäuse 70 in Manschetten eingesetzt werden, die zur Aufnahme handelsüblicher Strahlregler dienen. Weiter umfasst die Anordnung 60' eine Anzeige 73, die mit dem Mikroprozessor 61 sowie dem Spannungswandler 63 verbunden ist. Die Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs 60' kann in einen Duschkopf integriert werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Anordnung 60' einen Luftsprudler am Fluidauslass 22 aufweisen.
3C zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung, wie sie in der Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs in 3A und 3B eingesetzt werden kann. Der erste und der zweite Anschluss 31, 32 der Spule 17 sind mit dem Spannungswandler 63 verbunden. Die Auswerteschaltung 64 koppelt den erste und der zweite Anschluss 31, 32 mit einem Eingang des Mikroprozessors 61. Der Speicher 62 ist mit dem Mikroprozessor 61 verbunden. Der Temperatursensor 67 ist mit einem weiteren Eingang des Mikroprozessors 61 gekoppelt. Ein Ausgang des Mikroprozessors 61 ist mit der Anzeige 73 verbunden. Der Spannungswandler 63 ist ausgangsseitig mit der elektrischen Schaltung 68 verbunden. Dazu ist der Spannungswandler 63 ausgangsseitig mit Versorgungsanschlüssen des Mikroprozessors 61, der Auswerteschaltung 64 und des Speichers 62 verbunden. Weiter ist der Spannungswandler 63 ausgangsseitig mit Versorgungsanschlüssen des Temperatursensors 67 und der Anzeige 73 verbunden.
Die Generatorspannung UG wird mittels des Spannungswandlers 63 in eine Versorgungsspannung UGS umgewandelt. Die Generatorspannung UG ist eine Wechselspannung. Die Versorgungsspannung UGS ist eine Gleichspannung. Die Versorgungsspannung UGS dient zur Versorgung des Mikroprozessors 61, des Speichers 62, des Temperatursensors 67, der Auswerteschaltung 64 und der Anzeige 73. Die Auswerteschaltung 64 stellt ein Durchflusssignal SF bereit, das eine Funktion der Generatorsspannung UG ist. Das Durchflusssignal SF wird dem Eingang des Mikroprozessors 61 zugeleitet. Der Mikroprozessor 61 bestimmt mit Hilfe des Durchflusssignals SF die Durchflussmenge FLM. Beispielsweise wertet der Mikroprozessor 61 die Nulldurchgänge der Generatorspannung UG aus und bestimmt so eine Frequenz f oder eine Periodendauer der Rotation der Turbine 11. Der Speicher 62 dient zur Speicherung einer Tabelle. Der Mikroprozessor 61 bestimmt aus dem Durchflusssignal SF und den Angaben in der Tabelle die Durchflussmenge FLM. Dadurch kann eine Nichtlinearität zwischen der Durchflussmenge FLM des Fluidstroms FL und der Frequenz fG der Generatorspannung UG ausgeglichen werden. Die Tabelle ist als Sprungtabelle realisiert. Ein Volumen pro Umdrehung der Turbine 11 kann von der Rotationsfrequenz f der Turbine 11 abhängen. Ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Rotationsfrequenz f der Turbine 11 und der Durchflussmenge FLM des Fluidstroms FL kann somit ausgeglichen werden. Der Temperatursensor 67 erfasst die Temperatur des Fluids. Der Temperatursensor 67 gibt ein Temperatursignal ST an den Mikroprozessor 61 ab.
Die Anordnung zur Bestimmung des Ressourcenverbrauchs 60 bestimmt die Durchflussmenge FLM des Fluidstroms FL und die Temperatur des Fluides. Der charakteristische Verlauf der Generatorspannung UG dient als Indikator für die Drehfrequenz und nach einer Umrechnung mittels des Mikroprozessors 61 für die Durchflussmenge FLM pro Zeiteinheit. Die Generatorspannung UG wird als Energiequelle für die elektrische Schaltung 68 verwendet. Somit kann auf eine Batterie oder eine externe Spannungsversorgung verzichtet werden.
Alternativ kann die elektrische Schaltung 68 anstelle des Mikroprozessors 61 einen Mikrocontroller umfassen.
Alternativ wird dem Mikroprozessor 68 zur Bestimmung der Durchflussmenge FLM direkt die Generatorspannung UG oder ein im Spannungswandler 63 generiertes Signal zugeleitet.
In einer alternativen Ausführungsform ist zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 31, 32 mindestens eine Spule aus einer Gruppe, umfassend die weitere Spule 30 und die zusätzlichen Spulen 36 bis 39, seriell zur Spule 17 angeordnet.
Bezugszeichenliste

10, 10': Generatoranordnung
11: Turbine
12: Magnet
13: Träger
14: Achse
15: Lager
16: weiteres Lager
17: Spule
18: magnetisierbarer Abschirmkörper
19: Gehäuse
20: Fluideinlass
21: Kammer
22: Fluidauslass
23: Vorderseite
30: weitere Spule
31, 32: Anschluss
33: Polpaar
34: weiteres Polpaar
35: zusätzliches Polpaar
36 bis 39: zusätzliche Spule
50: magnetisierter Kern
51: äußeres Turbinenteil
52: Schaufel
53: Kanal
60, 60': Anordnung zur Bestimmung des Ressourcenverbrauchs
61: Mikroprozessor
62: Speicher
63: Spannungswandler
64: Auswerteschaltung
65: Sieb
66: Fluidstrahlregler
67: Temperatursensor
68: elektrische Schaltung
69: Durchflussbegrenzer
70: äußeres Gehäuse
71: Fluidzufuhr
72: Fluidabgabe
73: Anzeige
B: Magnetfeld
B1: erste Ausdehnung
B2: zweite Ausdehnung
FL: Fluidstrom
FLM: Durchflussmenge
SF: Durchflusssignal
ST: Temperatursignal
UG: Generatorspannung
UGS: Versorgungsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2007/0037470 A1 [0003]
US 3342070 [0005]
EP 0950877 A2 [0005]
EP 0990877 A2 [0005]
EP 1858144 A2 [0005]
US 6612188 B2 [0005]
EP 1884292 A1 [0005]
GB 2434207 A [0005]
EP 1367370 A1 [0005]

Claims

Generatoranordnung, umfassend – eine Turbine (11), deren Material mindestens teilweise magnetisiert ist oder die fest mit einem Magneten (12) verbunden ist, wobei mindestens eine Komponente aus einer Gruppe, umfassend die Turbine (11) und den Magnet (12), ein Material aus einer Gruppe, umfassend ein ferromagnetisches Material, ein ferrimagnetisches Material und ein Metall der Seltenen Erden, aufweist und die Turbine (11) von einem Fluid in eine Drehbewegung zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetfeldes versetzbar ist, – einen Träger (13), – eine Achse (14) und mindestens ein Lager (15), welche die Turbine (11) mit dem Träger (13) koppeln, sowie – mindestens eine Spule (17) zur Erfassung des sich ändernden Magnetfeldes, wobei die mindestens eine Spule (17) fest mit dem Träger (13) verbunden ist, und wobei die Generatoranordnung (10) ausgelegt ist, eine Generatorspannung (UG) ausgangsseitig an der mindestens einen Spule (17) bereitzustellen, die zur Ermittlung der durch die Generatoranordnung (10) fließenden Durchflussmenge (FLM) und zur Energieversorgung einer elektrischen Schaltung (68) einsetzbar ist.
Generatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Achse (14) und das mindestens eine Lager (15) die Turbine (11) mit dem Träger (13) derart koppeln, dass die Turbine (11) drehbar und axial beweglich ist.
Generatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Lager (15) als Gleitlager realisiert ist, das zwischen der Achse (14) und einem Element aus einer Gruppe, welche die Turbine (11), den Magneten (12) und den Träger (13) umfasst, angeordnet ist und für eine rotierende Bewegung und für eine translatorische Bewegung ausgelegt ist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend einen magnetisierbaren Abschirmkörper (18), der fest mit dem Träger (13) verbunden ist, wobei die Spule (17) zwischen dem magnetisierbaren Abschirmkörper (18) und der Turbine (11) beziehungsweise dem mit der Turbine (11) verbundenen Magneten (12) angeordnet ist.
Generatoranordnung nach Anspruch 4, wobei der magnetisierbare Abschirmkörper (18) einen ferromagnetischen oder einen ferrimagnetischen Ring aufweist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Achse (14) fest mit der Turbine (11) verbunden ist und das mindestens eine Lager (15) zwischen der Achse (14) und dem Träger (13) angeordnet ist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Achse (14) fest mit dem Träger (13) verbunden ist und das mindestens eine Lager (15) zwischen der Achse (14) und der Turbine (11) oder zwischen der Achse (14) und dem mit der Turbine (11) verbundenen Magneten (12) angeordnet ist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Turbine (11) oder der mit der Turbine (11) verbundene Magnet (12) zumindest diametral oder zumindest sektoriell polarisiert ist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Turbine (11) oder der mit der Turbine (11) verbundene Magnet (12) eine erste Anzahl N von Polpaaren (33, 34, 35) aufweist und die erste Anzahl mindestens gleich 1 ist.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens ein Kanal (53) auf dem Träger (13) angeordnet ist, der ausgelegt ist, das Fluid auf die Turbine (11) zu leiten.
Generatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Turbine (11) für eine tangentiale Anströmung oder für eine Anströmung parallel zur Achse (14) ausgelegt ist.
Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs, umfassend die Generatoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und die elektrische Schaltung (68) mit einem Mikroprozessor (61), der mit der mindestens einen Spule (17) gekoppelt ist und ausgelegt ist, aus der Generatorspannung (UG) oder einem von der Generatorspannung (UG) abgeleiteten Durchflusssignal (SF) die durch die Generatoranordnung (10) fließende Durchflussmenge (FLM) zu bestimmen.
Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs nach Anspruch 12, wobei die elektrische Schaltung (68) einen Speicher (62) zur Speicherung einer Tabelle umfasst und der Mikroprozessor (61) ausgelegt ist, aus der Generatorspannung (UG) oder dem Durchflusssignal (SF) mittels der Tabelle die Durchflussmenge (FLM) zu bestimmen.
Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs nach Anspruch 12 oder 13, umfassend einen Spannungswandler (63), der die mindestens eine Spule (17) mit der elektrischen Schaltung (68) koppelt und ausgelegt ist, die Generatorspannung (UG) in eine Versorgungsspannung (VGS) zur elektrischen Versorgung der elektrischen Schaltung (68) umzuwandeln.
Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung, umfassend – Versetzen einer Turbine (11), deren Material mindestens teilweise magnetisiert ist oder die fest mit einem Magneten (12) verbunden ist, durch ein Fluid in eine Drehbewegung, wobei mindestens eine Komponente aus einer Gruppe, aufweisend die Turbine (11) und den Magnet (12), ein Material aus einer Gruppe, umfassend ein ferromagnetisches Material, ein ferrimagnetisches Material und ein Metall der Seltenen Erden, aufweist, – Erzeugen eines sich ändernden Magnetfeldes mittels der Drehbewegung, – Erzeugen einer Generatorspannung (UG) mittels mindestens einer Spule (17) aus dem sich ändernden Magnetfeld, – Ermitteln einer Durchflussmenge (FLM) aus der Generatorspannung (UG) und – Erzeugen einer Versorgungsspannung (VGS), die eine elektrische Schaltung (68) mit elektrischer Energie versorgt, aus der Generatorspannung (UG).