DE102009060617A1 - Generator arrangement and method for generating a generator voltage - Google Patents
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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.A generator arrangement comprises a turbine (11), a carrier (13), an axis (14), a bearing (15) and a coil (17). The material of the turbine (11) is at least partially magnetized. Alternatively, the turbine (11) is firmly connected to a magnet (12). The turbine (11) and / or the magnet (12) have a material from a group comprising a ferromagnetic material, a ferrimagne. The turbine (11) can be rotated by a fluid in order to generate a changing magnetic field. The axis (14) and the bearing (15) couple the turbine (11) to the carrier (13). The coil (17) is designed to detect the changing magnetic field, the coil (17) being firmly connected to the carrier (13). The generator arrangement (10) is designed to provide a generator voltage (UG) on the output side on the coil (17), which can be used to determine the flow rate (FLM) flowing through the generator arrangement (10) and to supply energy to an electrical circuit (68).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Generatoranordnung, eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs mit einer Generatoranordnung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Generatorspannung.The present invention relates to a generator arrangement, an arrangement for determining the consumption of resources with a generator arrangement and a method for generating a generator voltage.
Eine Generatoranordnung wandelt eine kinetische und eine potentielle Energie eines Fluids, wie beispielsweise Wasser, in elektrische Energie um.A generator assembly converts kinetic and potential energy of a fluid, such as water, into electrical energy.
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Eine Anordnung zur Ermittlung des Ressourcenverbrauchs dient dazu, Informationen wie beispielsweise die Durchflussmenge eines Fluids einem Verbraucher anzuzeigen.An arrangement for determining the consumption of resources is used to display information such as the flow rate of a fluid to a consumer.
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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.Object of the present invention is to provide a generator assembly, an arrangement for determining the resource consumption with a generator assembly and a method for generating a generator voltage, which allow a cost-effective production.
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.This object is achieved with the objects of
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.In one embodiment, the generator arrangement comprises a turbine, a carrier, an axle, at least one bearing and at least one coil. The material of the turbine is at least partially magnetized. Alternatively, the turbine is firmly connected to a magnet. In this case, at least one component from a group comprising the turbine and the magnet comprises a material from a group comprising a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material and a rare earth metal. The turbine is displaceable by a fluid into a rotary motion to produce a changing magnetic field. The axle and the at least one bearing couple the turbine to the carrier. In addition, the at least one coil is firmly connected to the carrier. The at least one coil is used to detect the changing magnetic field. Furthermore, the generator arrangement is designed to provide a generator voltage on the output side at the at least one coil. The generator voltage is used to determine the flow rate flowing through the generator assembly and to supply power to an electrical circuit.
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.Advantageously, no external power supply is needed to operate the generator assembly. Advantageously, the generator voltage can be used as an indicator of the flow rate. Therefore, a cost-efficient production of the generator assembly can be achieved. Advantageously, the turbine is at least partially magnetized using a ferromagnetic or a ferrimagnetic material or a rare earth metal. The turbine may comprise a metal or a plastic as another material. The plastic may be polytetrafluoroethylene, abbreviated to PTFE, or polyphenylene ether, abbreviated PPE, or a mixture with PPE or PTFE. A turbine connected to a magnet may have as its material a metal or a plastic. The plastic may be polytetrafluoroethylene, abbreviated to PTFE, or polyphenylene ether, abbreviated PPE, or a mixture with PPE or PTFE. PPE is also referred to as poly (oxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylene) or polyether. PPE is a high-temperature resistant thermoplastic with the formula (C 8 H 8 O) n . The blend may be a misery of PPE with polystyrene, styrene-butadiene copolymer or polyamide. The styrene-butadiene copolymer is impact-resistant. The axis can also be called a wave. The generator assembly advantageously converts a portion of the kinetic and potential energy of the fluid into electrical energy. The electrical energy can be provided by the at least one coil.
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.In one embodiment, a body, in particular the turbine or the magnet, which comprises a rare-earth metal, has a coating. The coating may comprise at least one layer of a group comprising a nickel, gold, chromium and plastic layer. By the nickel plating, gilding, chrome plating or the Kunststoffeinhüllung the metal of the rare earth can be protected from water.
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.A ferromagnetic material may be a pure metal, especially iron, cobalt and nickel, or a ferromagnetic alloy, especially aluminum-nickel-cobalt AlNiCo, samarium-cobalt SmCo, neodymium-iron-boron Nd 2 Fe 14 B, nickel-iron Ni-Fe or nickel-iron-cobalt NiFeCo, or a material such as chromium dioxide, manganese arsenide or europium (II) oxide. A material with ferrimagnetic properties is called ferrite. A ferrite may contain iron as well as at least one other divalent metal ion, in particular copper, nickel, zinc, magnesium or manganese.
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 one embodiment, the axle and the at least one bearing couple the turbine to the carrier so that the turbine can not only be rotated, but also axially movable. In an axial movement, the turbine is translationally moved in the direction of the axis. Due to the axial mobility, the position of the turbine to the carrier and thus the at least one coil can be optimized. Due to the axial mobility, the turbine can be moved so that the kinetic and the potential energy of the fluid is used with a high efficiency.
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 one embodiment, a turbine has an outside diameter in the range of 4 mm to 1 m, preferably in a range of 6 to 20 mm. The turbine may be a Francis, Kaplan, Pelton or Michell-Banki turbine or a spur gear. The turbine may be a modified version of a Francis, Kaplan, Pelton or Michell-Banki turbine or a spur gear.
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 one embodiment, the generator arrangement comprises a magnetizable shielding body. The magnetizable shielding body comprises a ferromagnetic or a ferrimagnetic material. The material of the magnetizable shielding body may be iron, in particular soft iron. The magnetizable shielding body is firmly connected to the carrier. In this case, the coil is arranged between the magnetizable shielding body and the turbine or the magnet connected to the turbine. The coil can be positively connected to the magnetizable shielding body. In one embodiment, the magnetizable shield body may attract the magnetized material of the turbine or the magnet connected to the turbine such that the turbine is displaced axially of the carrier and thus of the coil. Advantageously, a simple and cost-effective design can be achieved by means of the magnetizable shielding.
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 one embodiment, the fluid is water. The fluid may be cold water, hot water or a mixture of cold and hot water. Alternatively, the fluid may be water vapor, a gas, a gas mixture, natural gas, as well as a liquid such as crude oil, oil, gasoline, diesel, a chemical solution, or waste water.
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.In one embodiment, an arrangement for determining the consumption of resources comprises the generator arrangement. Furthermore, the arrangement comprises the electrical circuit. The electrical circuit may include a microprocessor. The microprocessor may be connected to the at least one coil. The microprocessor may be configured to determine the flow rate of the fluid from the generator voltage or a flow signal obtained from the generator voltage.
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.Advantageously, by means of the generator arrangement, the arrangement for determining the consumption of resources can be supplied with electrical energy. Due to the rotational movement, the generator voltage is present as alternating voltage. Furthermore, the arrangement for determining the consumption of resources can evaluate the generator voltage in such a way that a rotation angle of the turbine, a rotation duration or a rotation frequency of the turbine and, therefrom, the flow rate of the fluid can be determined.
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.The arrangement for determining the consumption of resources can be arranged in a fitting, in particular in a faucet, a mixer tap, a shower hose, a shower head and a garden hose.
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.In one embodiment, a method for generating a generator voltage comprises displacing a turbine whose material is at least partially magnetized or which is fixedly connected to a magnet by a fluid in a rotational movement. The turbine and / or the magnet comprise a material from a group comprising a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material and a rare earth metal. The rotational movement creates a changing magnetic field. A generator voltage is generated by means of at least one coil from the changing magnetic field. A flow rate is determined from the generator voltage. From the generator voltage, a supply voltage is generated, which supplies an electrical circuit with electrical energy.
Durch die Verwendung der Generatorspannung als Indikator für die Durchflussmenge und zur Energieversorgung ist das Verfahren kostengünstig durchführbar.By using the generator voltage as an indicator of the flow rate and energy supply, the process is inexpensive to carry out.
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:The invention will be explained in more detail below with reference to several embodiments with reference to FIGS. Functionally or functionally identical components, structures or components bear the same reference numerals. As far as components, structural parts or components correspond in their function, their description is not repeated in each of the following figures. Show it:
Ein Fluidstrom FL treibt die Turbine
Das Lager
In einer alternativen Ausführungsform können der Träger
In einer alternativen Ausführungsform sind die Gleitbuchse des Lagers
In einer alternativen Ausführdungsform ist das Lager
Das Gehäuse
Der Fluidstrom FL versetzt die Turbine
In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist der magnetisierbare Abschirmkörper
In einer nicht gezeigten, alternativen Ausführungsform ist die Spule
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist das Lager
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Spule
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist der Magnet
Der Fluidstrom FL tritt durch das Sieb
Alternativ kann ein Durchflussbegrenzer
In einer alternativen Ausführungsform kann die Anordnung
Die Generatorspannung UG wird mittels des Spannungswandlers
Die Anordnung zur Bestimmung des Ressourcenverbrauchs
Alternativ kann die elektrische Schaltung
Alternativ wird dem Mikroprozessor
In einer alternativen Ausführungsform ist zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10'10, 10 '
- Generatoranordnunggenerator arrangement
- 1111
- Turbineturbine
- 1212
- Magnetmagnet
- 1313
- Trägercarrier
- 1414
- Achseaxis
- 1515
- Lagercamp
- 1616
- weiteres Lageranother camp
- 1717
- SpuleKitchen sink
- 1818
- magnetisierbarer Abschirmkörpermagnetizable shielding body
- 1919
- Gehäusecasing
- 2020
- Fluideinlassfluid inlet
- 2121
- Kammerchamber
- 2222
- Fluidauslassfluid outlet
- 2323
- Vorderseitefront
- 3030
- weitere Spuleanother coil
- 31, 32 31, 32
- Anschlussconnection
- 3333
- Polpaarpole pair
- 3434
- weiteres Polpaaranother pair of poles
- 3535
- zusätzliches Polpaaradditional pole pair
- 36 bis 3936 to 39
- zusätzliche Spuleadditional coil
- 5050
- magnetisierter Kernmagnetised core
- 5151
- äußeres Turbinenteilouter turbine part
- 5252
- Schaufelshovel
- 5353
- Kanalchannel
- 60, 60'60, 60 '
- Anordnung zur Bestimmung des RessourcenverbrauchsArrangement for determining the consumption of resources
- 6161
- Mikroprozessormicroprocessor
- 6262
- SpeicherStorage
- 6363
- SpannungswandlerDC converter
- 6464
- Auswerteschaltungevaluation
- 6565
- Siebscree
- 6666
- FluidstrahlreglerFluid flow regulator
- 6767
- Temperatursensortemperature sensor
- 6868
- elektrische Schaltungelectrical circuit
- 6969
- Durchflussbegrenzerflow
- 7070
- äußeres Gehäuseouter casing
- 7171
- Fluidzufuhrfluid supply
- 7272
- Fluidabgabefluid delivery
- 7373
- Anzeigedisplay
- BB
- Magnetfeldmagnetic field
- B1B1
- erste Ausdehnungfirst expansion
- B2B2
- zweite Ausdehnungsecond expansion
- FLFL
- Fluidstromfluid flow
- FLMFLM
- DurchflussmengeFlow
- SFSF
- DurchflusssignalFlow signal
- STST
- Temperatursignaltemperature signal
- UGUG
- Generatorspannunggenerator voltage
- UGSUGS
- Versorgungsspannungsupply voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: OSTERTAG & PARTNER, PATENTANWAELTE MBB, DE |