УСТРОЙСТВО СВЯЗИ
COMMUNICATION DEVICE

Уровень техники
Для беспроводной передачи сигналов из уровня техники известны устройства, забирающие энергию, необходимую для осуществления передачи, из среды, окружающей передающее устройство. Такие устройства часто называют устройствами освоения энергии среды («энергетическими комбайнами»).
Примером такого устройства служит дистанционно управляемый выключатель, который в результате механического нажатия кнопки генерирует сигнал, передаваемый беспроводным образом в приемник, который затем включает или выключает электрическое устройство.
Энергетические комбайны также используются для питания передатчиков, беспроводным образом передающих измеренные значения, полученные датчиками.
Из уровня техники известен пригодный для этой цели электродинамический преобразователь энергии, содержащий установленный в корпус и подпружиненный вибратор с постоянным магнитом, перемещающийся относительно катушки. Этот преобразователь энергии получает свою механическую энергию от вибраций (DE 102009041023 А1).
Кроме того, известно устройство связи, предназначенное для установки на мобильном устройстве и передающее измеренные данные с помощью передатчика. Устройство содержит накопитель энергии в виде аккумуляторной батареи. Для зарядки аккумуляторной батареи используется преобразователь энергии с крыльчаткой и генератором (DE 10046593 А1).
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание беспроводного устройства связи, которое можно с небольшими усилиями адаптировать к самым разнообразным областям применения и средам.
Согласно изобретению, эта задача решается устройством связи с признаками, изложенными в пункте 1 формулы изобретения. Варианты исполнения изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы.
Согласно изобретению, подобное устройство связи состоит из по меньшей мере трех компонентов, собранных в модульную конструкцию. Первый модуль преобразует кинетическую энергию в электрическую энергию и называется модулем преобразования. Второй модуль представляет собой модуль управления энергией, который, например, сохраняет, преобразует и/или передает электрическую энергию, предоставленную модулем преобразования, с целью предоставления электрической энергии в соответствии с заранее заданными граничными условиями. Третий модуль представляет собой модуль передачи, использующий электроэнергию для собственного функционирования и передающий сигнал связи, например, сигнал измеренного значения.
Благодаря модульной конструкции, состоящей из трех компонентов, каждый из которых может быть заменен по отдельности, можно, в зависимости от области применения, выбрать подходящий конкретно для этой области применения модуль и использовать его в устройстве связи.
В следующем варианте исполнения изобретения в качестве четвертого модуля предусмотрен модуль движения, соединенный с модулем преобразования и предназначенный для механического создания движения, в частности, вращательного движения.
В отдельных случаях, когда уже имеет место движение надлежащего вида, устройство связи с помощью модуля преобразования может непосредственно принимать кинетическую энергию, поэтому необходимости в модуле движения нет.
Таким образом, в следующем варианте исполнения предусмотрена возможность замены отдельных модулей устройства связи на модули с другими характеристиками, однако, предпочтительно, того же или совместимого типоразмера.
В следующем варианте исполнения предложенное устройство связи предусматривает выбор по меньшей мере одного, предпочтительно, механически автономного модуля из множества модулей одной и той же функциональности и одинакового или совместимого типоразмера.
Согласно изобретению, по меньшей мере, один модуль может быть реализован в виде механически отдельного компонента, выполненного таким образом, чтобы его можно было механически и функционально соединить с соответствующим соседним модулем.
В зависимости от используемых компонентов, в следующем варианте исполнения изобретения модуль управления энергией или модуль передачи может иметь функцию согласования мощности. Такая функция согласования мощности предназначена для согласования электроэнергии, подаваемой модулем преобразования, к требованиям электроники модуля передачи и, возможно, также к требованиям активного датчика.
Устройства связи рассматриваемого типа могут применяться в качестве передатчиков измеренных значений. Если измеряемое значение непосредственно не производит вращательное движение, в следующем варианте исполнения модуль передачи может иметь возможность подключения измерительного датчика. В этом случае целесообразно распространить функциональность согласования мощности и на этот датчик, если речь идет о датчике, для работы которого также требуется электроэнергия.
В следующем варианте исполнения изобретения устройство в целях механического создания вращательного движения может содержать подпружиненную нажимную кнопку, пружина которой служит для постоянного возврата нажимной кнопки в исходное положение. Такая нажимная кнопка позволяет контролировать, например, изменения состояния устройств, например, открытие или закрытие заслонки.
В целях создания вращательного движения в следующем варианте исполнения нажимная кнопка может воздействовать на кривошипный привод.
Следующий вариант преобразования линейного движения во вращательное движение заключается в использовании зубчатой рейки.
Следующим способом создания вращательного движения может быть, разумеется, использование турбины, подвергающейся воздействию потока, например, потока воздуха или воды.
В следующем варианте исполнения устройство для создания вращательного движения может также содержать трансмиссию с зубчатой передачей или редуктором.
В частности, при наличии нажимной кнопки для создания вращательного движения можно оснастить устройство механизмом свободного хода с однонаправленным храповым механизмом, что позволит создавать продолжительное вращательное движение путем многократного нажатия нажимной кнопки.
В следующем варианте исполнения изобретения модуль преобразования может содержать ротор с по меньшей мере одним постоянным магнитом и статор, имеющий по меньшей мере одну катушку и отделенный от ротора воздушным зазором.
Путем выбора количества и конфигурации постоянных магнитов, а также количества и конфигурации катушек можно в широких пределах изменять электрическую мощность, предоставляемую модулем преобразования.
Например, ротор может содержать постоянные магниты с чередующейся ориентацией, а количество и размер катушек статора может соответствовать количеству и размеру постоянных магнитов.
В следующем варианте исполнения изобретения по меньшей мере одна катушка может быть установлена на печатной плате. Печатная плата может быть оснащена гнездом для модуля управления энергией и/или модуля передачи.
В следующем варианте исполнения изобретения компонентом, механически приводимым во вращение, может быть ротор модуля преобразования.
В следующем варианте исполнения изобретения модуль управления энергией содержит печатную плату, на которой расположен модуль преобразования, и который содержит гнездо для модуля передачи.
Согласно изобретению, описанное устройство связи можно применять в качестве генератора сигналов. Таким образом, например, приведение в действие путем нажатия нажимной кнопки представляет собой сигнал, который должен быть передан беспроводным образом. При создании вращательного движения при помощи турбины или крыльчатки вращение само по себе может быть сигналом, например, при необходимости определения движения потока.
Согласно изобретению, описанное устройство связи может быть применено для передачи измеренных значений с датчиков. В этом случае вращательное движение, создаваемое механическим путем, служит только для питания модуля передачи и, возможно, датчика.
Кроме того, изобретение предлагает выполненное в виде модуля устройство для механического создания вращательного движения для устройства связи.
Кроме того, изобретение предлагает модуль преобразования для устройства связи, содержащий ротор с по меньшей мере одним постоянным магнитом и статор, имеющий по меньшей мере одну катушку и отделенный от ротора воздушным зазором.
Кроме того, изобретение предлагает модуль снабжения энергией для устройства связи, содержащий устройство, выполненное в виде модуля движения, предназначенное для механического создания вращательного движения, и модуль преобразования для преобразования энергии вращательного движения в электрическую энергию.
Благодаря модульной конструкции и предложенному изобретением модулю преобразования, допускающему высокую плотность энергии, устройство связи отличается широким и разнообразным спектром применения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные признаки, детали и преимущества настоящего изобретения следуют из формулы изобретения и реферата, составленных с учетом содержания описания, последующего описания предпочтительных вариантов исполнения изобретения и прилагаемых фигур. При этом отдельные признаки различных показанных вариантов исполнения можно комбинировать произвольным способом, не выходя за рамки защищаемого объема изобретения.
Фиг. 1: схематичное изображение устройства для создания вращательного движения при помощи нажимной кнопки.
Фиг. 2: изображение, соответствующее фиг. 1, с зубчатой передачей.
Фиг. 3: схематичное изображение устройства для создания вращательного движения при помощи кривошипного привода.
Фиг. 4: геометрическая форма устройства связи.
Фиг. 5: схематичное изображение структуры устройства связи, состоящего из трех модулей.
Фиг. 6: вид спереди на ротор модуля преобразования устройства связи, описываемого изобретением.
Фиг. 7: вид спереди на статор модуля преобразования.
Фиг. 8: упрощенное изображение модуля преобразования в устройстве связи, описываемом изобретением, вид сбоку.
Фиг. 9: изображение модуля для создания вращательного движения, соответствующее фигурам 1-3.
Фиг. 10: схематичное изображение в разобранном виде описываемого изобретением устройства связи согласно следующему варианту исполнения.
Фиг. 11: вид устройства связи, изображенного на фиг. 10, под углом сверху.
Фиг. 12: схематичное изображение описываемого изобретением устройства связи согласно следующему варианту исполнения.
Фиг. 13: устройство связи, изображенное на фигуре 12, под углом сверху.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично изображено устройство для создания вращательного движения. Устройство содержит зубчатую рейку 1, установленную с возможностью перемещения в модуле. На свободном конце зубчатой рейки 1 находится нажимная кнопка 2. Она перемещается в показанное положение нажимной пружиной 3, опирающейся на стенку 4 корпуса. Ряд зубьев зубчатой рейки 1 входит в зацепление с зубчатым колесом 5. Зубчатое колесо 5 соединено посредством показанного механизма 6 свободного хода с диском 7. При смещении зубчатой рейки 1 с помощью нажимной кнопки 2, на фиг. 1 влево, диск 7 приводится во вращение с помощью зубчатого колеса 5. При отпускании нажимной кнопки 2 зубчатая рейка 1 возвращается в показанное положение. При этом механизм 6 свободного хода отсоединяет диск 7 от зубчатой рейки 1. Таким образом, можно обеспечить продолжительное вращательное движение диска 7 путем многократного нажатия.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 2, зубчатая рейка 1 входит в зацепление с зубчатым колесом 8, которое соединено без возможности проворачивания с зубчатым колесом 9 большего размера. В результате зубчатое колесо 9 большего размера входит в зацепление с зубчатым колесом 5 согласно предыдущему варианту исполнения. Путем промежуточного включения двух зубчатых колес 8, 9 формируется зубчатая передача, в результате чего вращение диска 7 при том же ходе зубчатой рейки 1 ускоряется.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 3, также предусмотрена нажимная кнопка 2, установленная в модуле с возможностью перемещения и возвращаемая нажимной пружиной 3 в исходное положение. Отогнутый конец рейки 10, содержащей нажимную кнопку 2, соединен через шатун 11 с колесом 12, причем шатун 11 эксцентрично шарнирно соединен с колесом 12. Колесо 12 соединено без возможности проворачивания с колесом 13 большего размера, периметр которого входит в зацепление с колесом 15, соответствующим зубчатому колесу 5. В представленном примере речь идет о фрикционном зацеплении между колесами 13 и 15. В остальном вращение колеса 15 через механизм свободного хода снова преобразуется во вращение диска 7. Таким образом, вариант исполнения, показанный на фиг. 3, представляет собой кривошипный привод диска 7.
На фиг. 4 схематично показан размер и геометрическая форма устройства связи по одному из вариантов исполнения настоящего изобретения. Состоящее из трех частей устройство связи должно размещаться в прямоугольном параллелепипеде, показанном на фиг. 4. Толщина прямоугольного параллелепипеда должна составлять порядка 10-20 мм, в то время как длина кромок в двух других измерениях должна составлять порядка 50 мм.
На фиг. 5 изображено подобное устройство связи, вид сбоку. С одной стороны прямоугольного параллелепипеда выступает нажимная кнопка 2. Ход кнопки составляет порядка 2-10 мм. Нажимная кнопка 2 приводит диск 7 во вращение с помощью механизма 16.
На фиг. 6 изображена передняя сторона части модуля преобразования, то есть модуля, преобразующего вращательное движение диска 7, создаваемое первым модулем, в электрическую энергию. На фигуре 6 изображен ротор. Диск 7 образует ярмо ротора модуля преобразования. Он состоит из магнитномягкого материала. На нем закреплены постоянные магниты 17, 18, ориентация которых попеременно чередуется. В представленном примере предусмотрено восемь постоянных магнитов. В плане на фиг. 6 они образуют круговой сектор.
Модуль преобразования содержит статор, взаимодействующий с ротором (показанным на фиг. 6) и изображенный спереди на фиг. 7. На ярме 19 статора, выполненном из магнитномягкого материала, находится восемь катушек 20, каждая из которых навита вокруг сердечника из магнитного материала. Количество и размер катушек 20 соответствует количеству и размеру постоянных магнитов 17, 18, установленных на статоре 7.
На фиг. 8 представлен вид сбоку на узел, состоящий из ротора, показанного на фиг. 6, и статора, показанного на фиг. 7. Стороны, показанные на фиг. 6 и 7, обращены друг к другу, и между ними образован воздушный зазор 21.
Напряжение, подаваемое модулем преобразования, зависит от частоты вращения, количества постоянных магнитов и катушек, количества витков катушек, используемого материала, величины воздушного зазора и, разумеется, общего размера узла.
На фиг. 9 представлен другой вариант создания вращательного движения. В данном случае с ротором 7 соединена крыльчатка 22, в показанном примере - трехлопастная крыльчатка. Эта крыльчатка 22 служит примером турбины. Разумеется, возможны и другие типы турбин и крыльчаток. Этот вид создания вращательного движения подходит, например, для условий, характеризующихся постоянными ветрами.
Устройство, изображенное на фиг. 9, может также служить для индикации наличия воздушного потока или потока жидкости.
На фиг. 10 схематично показано описываемое изобретением устройство связи 30, содержащее модуль 31 движения и модуль 32 преобразования, причем модуль 31 движения и модуль 32 преобразования расположены на общей оси 33. С помощью модуля 31 движения создается вращательное движение вокруг оси 33, которое затем преобразуется модулем 32 преобразования в электрическую энергию. Ось 33 предназначена для установки на печатную плату модуля 34 управления энергией. На фиг. 10 ось 33 показана приподнятой с модуля 34 управления энергией, а пунктирная линия обозначает предусмотренное соединение оси 33 и модуля 34 управления энергией.
Модуль 34 управления энергией преобразует электрическую энергию, предоставленную модулем 32 преобразования, в соответствии с заранее заданными граничными условиями. Электрическое напряжение, поданное модулем 32 преобразования, например, повышается и регулируется в модуле 34 управления энергией. Модуль 32 преобразования подает, например, напряжение переменного тока, индуцируемое с помощью вращающегося ротора с постоянными магнитами и катушек, неподвижных относительно вращающихся постоянных магнитов. Это переменное напряжение сначала увеличивается до величины в несколько вольт в модуле 34 управления энергией при помощи трансформатора. После этого напряжение выпрямляется и регулируется с помощью преобразователя постоянного напряжения в постоянное до требуемого значения. Напряжение переменного тока, поданное модулем 32 преобразования, может быть увеличено, например, в 100 раз. На выходе модуля 34 управления энергией имеет место регулируемое напряжение постоянного тока величиной, например, 1,8В или 3,3В, которое затем поступает в модуль 35 передачи.
После этого модуль 35 передачи может передавать беспроводным образом информацию, например, сигнал измеренного значения. После этого сигнал может быть передан, например, на центральную станцию или надлежащий контроллер, в частности, контроллер двигателя. Модуль 35 передачи предназначен для установки в гнездо (не показанное на фиг. 10) на печатной плате модуля 34 управления энергией. На фиг. 10 это показано пунктирной линией между модулем 35 передачи и модулем 34 управления энергией.
На фиг. 11 изображено устройство 30 связи, показанное на фиг. 10, под углом сверху. Хорошо видна компактная конструкция устройства 30 связи. Существенное преимущество модульной конструкции заключается в том, что существует не только возможность замены отдельных модулей 31, 32, 34 и 35 на модули с другими характеристиками, но и использования модулей, доступных на рынке. Например, в качестве модуля 34 управления энергией можно использовать имеющуюся в продаже систему, например, MSP430 от Texas Instruments, LTC31xx или LTC35XX от Linear Technology. Кроме того, в качестве модуля передачи можно использовать имеющиеся на рынке системы, например, Semtech SX1230 или передающие модули ZIGBEE. Модули передачи могут передавать, например, сигналы с частотой 315 МГц, 434 МГц, 868 МГц или 915 МГц. Дальность действия таких систем составляет, как правило, до 100 м. Передаваемый сигнал может быть, например, сообщением о кинетической энергии, генерируемой в модуле 31 движения, например, если модуль 31 движения содержит турбину, и требуется получить информацию о скорости потока. К модулю 35 передачи или модулю 34 управления энергией может быть подключен датчик, сигнал которого затем передается модулем 35 передачи.
На фиг. 12 схематично изображено еще одно устройство 40 связи в соответствии с изобретением, вид сбоку. Модуль 41 движения и модуль 42 преобразования расположены на общей оси 43. Модуль 41 движения генерирует энергию вращательного движения, которая затем преобразуется модулем 42 преобразования в электрическую энергию. Модуль 42 преобразования в показанном варианте содержит ротор 44, вращающийся на оси 43 и содержащий несколько постоянных магнитов. В результате вращения ротора 44 в катушках 45 индуцируется электрическое напряжение. Катушки 45 расположены на печатной плате 46 и, например, напечатаны на этой печатной плате 46. Напряжение, индуцированное в катушке 45, передается по проводящим дорожкам на печатной плате 46 в модуль 47 управления мощностью или энергией. Модуль 47 управления энергией с учетом заранее заданных граничных условий обеспечивает подходящее электропитание для модуля 48 передачи.
На фиг. 13 видно, что модуль 47 управления энергией и модуль 48 передачи подключены к не показанным на фигуре соединительным элементам на печатной плате 46. Это позволяет легко подсоединить модуль 47 управления энергией и обойтись без дополнительных соединительных проводов, так как электрическая энергия передается по проводящим дорожкам на печатной плате 46. Модуль 48 передачи подключен таким же образом, причем модуль 48 передачи может быть подсоединен к модулю 47 управления энергией или к соответствующему разъему на печатной плате 46, причем через разъем на печатной плате 46 модуль 47 управления энергией предоставляет электрическую энергию, необходимую для работы модуля 48 передачи. На печатной плате 46, как уже упоминалось, нанесены не только катушки 45, но и полная разводка этих катушек 45. Это значительно упрощает структуру устройства 40 связи, описываемого настоящим изобретением, и позволяет, при необходимости, легко заменять отдельные модули на модули с другими характеристиками.