用在门或窗上的用于获得能量的装置以及传感器

技术领域

本公开涉及一种用在门或窗上的用于获得能量的装置、一种用于探测窗或门的开启或者关闭过程的传感器以及一种传感器。

背景技术

在现有技术中已知能量收集(Energy Harvesting)，其按字面意思翻译为能量收获。这被理解为，为了低功率的移动式设备，从诸如环境温度、振荡或者空气流动等来源中获得少量电能。为此所使用的被称为能量收集器或者也被称为纳米发电机的结构避免了，在无线技术中，由于有线的电流供应或者电池而受限。能量收集对于数字世界中的微型设备的能量供应具有重要意义，并且考虑到物联网，尝试使存在于所述“物”中存在的小型传感器不依赖于外部电流供应。

例如，可以借助于微观效应，完成能量收集。为此，主要可以使用以下效应或者技术：压电、温差电、热释电、电磁波能量(例如无源RFID或者环境光)的利用、光伏以及渗透作用。进一步地，可以使用宏观效应，其中在有或没有感应的情况下，机械地产生能量。

根据GB 110 700A，已知了一种通过拇指按压运行的手电筒，其中借助小型的手摇发电机或者发电机，由于由双齿轮条驱动的持续旋转，产生用于灯的运行的电压。

US 2011/0 252 845A1公开了一种用于通过压电式能量收集器电动地解锁门的装置，其中能量收集器通过齿轮，可旋转地与门销相连。

在US 2009/0 273 322A1中描述了一种在门上的包括定子和转子的电气发电机布置，其旋转地布置在门铰链上。

DE 32 08 818 A1公开了一种发电机，其为电子锁的电压储存器产生充电电流，其中机电发电机的主动小齿轮与门铰链的固定齿扇啮合。

US 2009/0 140 858 A1描述了一种用于窗单元的状态监控设备，其可以经由状态码接收器，将信息传送至信息收集单元，并且具有内置的能量源，诸如电池和/或压电或其它类型的能量获得源。

WO 2016/007 357 A1公开了一种用在门上的充电设备，其中充电设备将从门的线性运动的动能转化来的电动势用于为所连接的可充电的能量源充电，其中后者可以被用于向门的传感器(诸如监控传感器或者发送器)供电。

发明内容

本公开的目的在于，改进现有技术。

该目的通过根据权利要求1所述的装置，并且特别地通过一种用在门或窗上的用于获得能量的装置得以实现，该装置包括：可移位的致动元件，该致动元件可与门或窗耦接；至少一个与致动元件机械耦接的齿轮，其中每个齿轮都具有至少一个永磁体或者与永磁体耦接；和至少一个线圈，其中对于每个齿轮，装置都具有至少一个分配给该齿轮的线圈；其中致动元件和至少一个齿轮耦接，使得在致动元件移位时，至少一个齿轮围绕相应的旋转轴旋转；并且其中在至少一个齿轮围绕相应的旋转轴旋转时，在至少一个线圈中感应出电压，从而获得能量，其中齿轮具有分别在面上扇形地磁化的永磁体。

在此感应出电压，因为至少一个永磁体的旋转与每个齿轮围绕各自旋转轴的旋转相关，使得该永磁体相对于线圈移动。

因此，可以提供要布置在门或窗上的装置，其通过门或窗的开启或者关闭过程获得能量，而该能量可以被用于电子装置的运行。该电子装置例如可以是探测窗或门的开启或者关闭过程的传感器。

应对以下概念进行阐述：

在本公开的框架下，“能量获得”特别地理解为能量收集。其中，特别地获得电能。

在本公开的框架下，本领域技术人员可以理解，除了用在门或窗上，当前用于获得能量的装置也可以用在可以被开启或者关闭并且在其上可以固定有致动元件的其它装置上，诸如闸板等。

致动元件的可移位性理解为，致动元件和窗或门相互耦接，使得门或窗的开启或者关闭过程使致动元件移位，优选地使其线性地移位，从而致动至少一个与致动元件机械耦接的齿轮。

当前情况下，“致动元件”理解为可以通过门或窗的开启或者关闭过程而被致动(即移位)的元件。特别地，这可以是杆件、按钮、板条或者其它机械装置，其可以促成空间内的移位运动，特别是线性的移位运动。

致动元件与齿轮的机械耦接理解为每种机械耦接，其起作用，使得促成致动元件的移位，特别是线性移位，并且使得齿轮围绕相应的旋转轴或者其轴承轴转动，从而产生旋转。这例如可以通过齿条驱动实现，其中致动元件包括齿条的齿部，这些齿部与齿轮的齿部啮合。替代地，这可以通过啮合元件实现，例如固定在杆件上的芯轴或者齿部，其中芯轴或者齿部被布置为，基本上正交于致动元件的移位方向，并且其中在致动元件移位过程中，芯轴或者齿部与齿轮的齿部啮合，齿轮由此转动，直至致动元件的芯轴或者齿部不再与齿轮啮合。

齿轮与永磁体的耦接理解为任何机械耦接，其作用是使得齿轮以预定角度的转动引起永磁体以同一角度转动。为此，优选地，永磁体和齿轮同轴地定向。更优选地，永磁体被布置在齿轮内。

至少一个永磁体优选地被布置在齿轮的上侧或者下侧。

在电气工程学中，“线圈”一方面理解为适合于产生或者探测磁场的绕组和卷绕材料。它们是电气构件，或者是诸如变压器、继电器、电动机或者扬声器等设备的部件。线圈例如可以是PCB(印刷电路板，英语：printed circuit board)线圈。

如果齿轮的数量大于二，则一个预定齿轮可以通过与致动元件的耦接朝向预定的转动方向转动，而另一齿轮通过根据一种实施方案的耦接朝向同一方向转动并且根据另一实施方案朝向相反方向转动。

因此，本公开的核心基于以下内容，即借助于线圈中的感应，通过感应，从存在于门或窗的开启或者关闭过程的动能中的动能中获得电能，该电能被用于电气设备的运行，特别是无线电模块的运行。存在于装置中的线圈的电压感应通过以下方式实现，即门或窗的开启或者关闭过程使致动元件移位，从而通过机械耦接，至少一个包括永磁体的齿轮移动越过线圈。

致动元件可以与门或窗耦接，使得在门或窗的开启状态下，致动元件被布置在第一位置中，并且在门或窗的关闭状态下，其被布置在第二位置中。这呈现了可以将致动元件与门或窗耦接的简单的方式方法。

在门或窗的关闭状态下，致动元件可以是相对于弹簧拉紧的。由此实现了，在开启门或窗的过程中，致动元件借助于弹力而简单且轻松地从第二位置移动返回第一位置。在此，在门或窗的开启状态下，弹簧可以是未拉紧的，即不受力的。进一步地，弹簧可以是压缩弹簧。

通过感应而产生的电压可以被用于供给无线电模块、微处理器、微控制器、整流器、DC/DC转换器或者其它电气设备。其它可以布置在窗或门上的可考虑的电子装置例如为温度传感器、空气传感器或者湿度传感器。该特征的优点主要是：装置无需任何内部或者外部的电流供应。

与致动元件机械耦接的齿轮的数量优选地为两个。进一步地，齿轮优选地包括永磁体，其优选地具有8个或者16个极。替代地，齿轮可以包括两个或更多个永磁体。进一步优选的是，装置包括多个线圈，这些线圈优选地被布置在永磁体的极的下方或者上方。

为了实现节省空间的布置，每个齿轮都包括特别是环形的永磁体，永磁体分别扇形地在面上磁化。这种永磁体具有圆盘或者环状物的形状，其扇形区具有不同的磁化极。在此，圆盘或者环状物的旋转轴可以与齿轮的旋转轴同轴。在此，永磁体可以具有多于两个极，优选地具有8个、16个或者32个极。

为了尽可能地充分利用感应出的电压，可以分别为每个齿轮设置包括扇形布置的线圈的圆盘，其中每个圆盘都与附属的齿轮同轴地布置。在此，圆盘的线圈到齿轮的永磁体的距离要选得尽可能小，以便感应出的电压尽可能大。在此，优选的是，每个圆盘的线圈的数量大于或等于永磁体的极的数量。根据期待的齿轮扭振，可以选择线圈的数量，使得每个永磁体的至少一个极在至少一个线圈上方移过。这确保了感应的最小尺寸。

至少一个齿轮的至少一个齿轮可以借助于扭力弹簧，固定在装置的壳体上。优选地，所有齿轮都分别借助于扭力弹簧，固定在装置的壳体上。由此，可以有利地实现，在门或窗的开启或者关闭过程中，通过致动元件的运动，激发齿轮进行扭振，这会再次引起能量收集器的能量输出得以提高。优选地，扭力弹簧的两个臂之间的角度为90°。

在此，根据另一实施方案，致动元件可以具有至少一个啮合元件，分别实施并设置啮合元件，使得在相应的致动元件从第一位置向第二位置移位或者从第二位置向第一位置移位时，相应的啮合元件与相应的齿轮啮合，相应的齿轮转动，由此张紧相应的扭力弹簧，直至相应的啮合元件不再与相应的齿轮啮合，相应的扭力弹簧紧接着使相应的齿轮朝向相反方向移动，使得其引起相应齿轮的扭振。

如果不失一般性地观察扭力弹簧，其臂围出90°的角，则扭力弹簧的张紧既理解为两个臂的扩大角的运动，也理解为缩小角的运动。

相应齿轮的上文中提及的扭振的转动角可以处于60°到360°之间。因为扭振自然衰减，所以要说明如何理解转动角。转动角是扭力弹簧最大程度上被张紧的齿轮位置与扭力弹簧朝向相反方向最大程度上被张紧的齿轮位置之间的角度。在时间上，在齿轮的这两个位置之后，由于扭振的衰减，齿轮的后续位置对应于扭力弹簧的更低的张紧。通过上文中提及的转动角的数值，能够以具有行业惯用的极数量(例如16)的永磁体和每个盘的线圈数量(例如8)实现，至少一个线圈移动越过整个极。由此，确保电磁感应的最小尺寸。

装置可以进一步包括：具有第一附加齿轮和第二附加齿轮的齿轮元件，其中齿轮元件的第二附加齿轮和具有齿部的致动元件相互耦接，使得其实现齿条驱动，其中齿轮元件的第一附加齿轮特别地在第一齿轮的相对端部上与至少一个齿轮啮合，其中第一附加齿轮的半径大于至少一个齿轮中最大的那个齿轮的半径。由此，可以在齿轮元件的第一附加齿轮与至少一个齿轮之间达到高传动比，使得在致动元件的运动区段不变的情况下，至少一个齿轮的转数提高，这会引起感应提高。优选地，传动比大于2，优选地大于3。

每个齿轮可以精确地具有一个永磁体，并且至少一个齿轮的至少一个齿轮，优选所有齿轮都可以借助于自由轮，与附属的永磁体耦接。自由轮(也被称为超越离合器)理解为只在一个转动方向上起作用的离合器。在此，优选的是，至少一个齿轮的数量为二。在这种情况下，预定齿轮的自由轮相反于对应的另一齿轮的自由轮起作用。根据其它实施方案，优选的是，其上布置有永磁体的圆盘由低摩擦力的轴承(例如滑动轴承)支承。这引起，在对致动元件进行致动时，首先驱动齿轮，然后驱动与自由轮耦接的那些圆盘。因为以低摩擦力支承这些圆盘，所以这些圆盘执行高转数，直至其停止。由此提高能量输出。

在另一方面中，该目的通过一种用于探测窗或门的开启或者关闭过程的传感器得以实现。传感器包括上文中描述的用于获得能量的装置，并且其特征在于，设置并实施该装置，使得在对致动元件进行致动时获得的能量被用于产生无线电信号，该无线电信号显示窗或门的开启或者关闭过程。

优选地，调整致动元件的位置，即为系统在内置的存储器中预先规定，门或窗是开启还是关闭。根据该实施方案，无法识别致动元件是位于第一位置还是第二位置。如果随后对致动元件进行致动，并且可以生成电脉冲，则生成门或窗的状态改变的无线电信号。

根据另一实施方案，可以根据感应出的电压识别是开启还是关闭致动元件。替代地或者额外地，位置传感器可以探测致动元件的第一位置或者第二位置。

优选地，通过感应产生的能量可以被存储在蓄能器中，例如电容器或者蓄电池中。

附图说明

另外，根据实施方案，阐述本公开。图中示出：

图1示出了用在门或窗上的用于获得能量的装置的第一实施方案的示意性立体图；

图2示出了图1的用于获得能量的装置的示意性正视图；

图3示出了如图1或者图2的实施方案中使用的包括永磁体的齿轮以及包括PCB线圈的圆盘的示意图；并且

图4示出了用在门或窗上的用于获得能量的装置的第二实施方案的示意性立体图。

具体实施方式

用在门或窗上的用于获得能量的装置的第一实施方案被布置在壳体100中(图1)。在此，可线性移位的致动元件110借助于两根棒115以及两个压缩弹簧120支承在壳体100内。致动元件110为锤子状，并且因此具有柄111和两个垂直于柄111延伸的啮合元件112，这些啮合元件分别在最外侧的侧向端部上被设计为齿状。

两根平行延伸的棒115被布置为相对于壳体100的中心面对称，并且被分别固定在壳体100的相对的侧壁101、102上。该中心面垂直于壳体100的第一侧壁101和第二侧壁112，并且垂直于延伸穿过两根棒115的平面延伸。

两个啮合元件112分别具有钻孔，其中两根棒115延伸穿过该钻孔。致动元件110的柄111延伸穿过壳体100的第一侧壁101中的孔116。无论是柄111在孔116中的导向，还是棒115在致动元件的啮合元件112中的导向都在壳体100的平面内水平地延伸，并且引起致动元件110可水平地线性移位。

在门开启或者窗开启的情况下，致动元件110位于第一位置，在该第一位置中，两个压缩弹簧120都处于未被压缩的状态。在该状态下，柄111和致动元件110大部分位于壳体100外。如果致动元件110的柄111由于门或窗的关闭而被门或窗的一部分压向壳体100内部的方向，则压缩弹簧120被压缩。如果门或窗被关闭，则柄111的外端与壳体100的第一侧壁101的外表面齐平。在该状态下，致动元件110位于第二位置。

在对致动元件110进行致动时，啮合元件112伸入到两个齿轮130的齿部132中(图1和图2)。两个齿轮130被布置为相对于上文中提及的中心面对称，并且分别可转动地支承在壳体中。每个齿轮130都具有永磁体140，该永磁体分别扇形地在面上以8个极磁化(图3)。在此，每个齿轮130都基本上是盘状的且被布置在对应的永磁体140上方，而永磁体同样是盘状的。在此，永磁体140和相应齿轮130的圆盘的半径是一样大的。

在齿轮130上分别固定有扭力弹簧150(图1)。扭力弹簧150分别有一端固定在壳体100的顶盖上。扭力弹簧150的另一端分别固定在齿轮130的上侧。

每个永磁体140的下方分别布置有圆盘160，在该圆盘上分别安置有多个扇形布置的线圈161(图3)。每个圆盘160的线圈161的数量当前是8。

无论是在致动元件110的第一位置中，还是在第二位置中，啮合元件112都并未与齿轮130的齿部132啮合。如果致动元件110由于窗或门的关闭过程而被压入壳体100中，则啮合元件112接触齿轮130的齿部132，由此以顺时针方向转动齿轮130，并且以逆时针方向转动另一齿轮130。与此同时，扭力弹簧150由此被张紧，其中对于其中一个扭力弹簧150，臂之间的角度变小，而对于另一扭力弹簧150，臂之间的角度变大。因为致动元件110在第二位置中不再与齿轮130啮合，所以存在啮合元件112与齿轮130脱离啮合的位置。

在该位置上，张紧的扭力弹簧150引发转动的齿轮130连同与其相连的永磁体140快速倒转。由于扭力弹簧150张紧，在此，扭力弹簧也分别朝向另一方向张紧，从而产生扭振，而根据存在的摩擦的大小，该扭振或强或弱地衰减。这再次引起，同样处于扭振中的永磁体140在被布置在永磁体140下方的线圈161中在扭振期间分别感应出电压。

如果门或窗被开启，则致动元件110被压缩弹簧120推回到第一位置中，其中再次在线圈161中感应出电压，并且齿轮朝向分别相反的方向转动。

齿轮130所围绕振动的转动角是不同的，但是小于360°。线圈161是PCB线圈。选择转动角、永磁体140的极的数量和每个圆盘160的线圈161的数量，使得转子的每次磁定向都移动越过PCB线圈至少一次。

在齿轮130的振动过程中，在线圈161的端部上产生感应出的电压脉冲，其借助于DC/DC转换器，被转换成约3.0V的恒定直流电压。所产生的能量被用于微控制器和无线电模块的运行。在此，在每次开启或者关闭过程中，都发出门或窗的开启状态改变的无线电信号。

如第一实施方案，用于获得能量的装置的第二实施方案同样被布置在壳体100中(图4)。根据该实施方案，致动元件110和齿轮元件135实现齿条驱动。这意味着，在致动元件110线性移位时，被布置在壳体100的中间的齿轮元件135围绕其轴承轴旋转。为此，致动元件110具有与第二附加齿轮耦接的齿条区域117。

致动元件110具有两个平行延伸的杆件113，其在致动元件110的远离壳体100的端部114处相互连接。借助于被布置在壳体100的第一侧壁101中的两个钻孔118，沿着从壳体100的第一侧壁101到第二侧壁102的方向对致动元件110进行导向。只有(当前是左侧的)杆件113在指向另一杆件113的内部区域中具有齿条区域117。

齿轮元件135具有第一附加齿轮136和第二附加齿轮，其中第二附加齿轮邻接第一附加齿轮136，例如位于其下。第一附加齿轮136和第二附加齿轮被实施为一件式的。第一附加齿轮136的直径远大于第二附加齿轮的直径。优选地，第一附加齿轮136的直径处于20mm到24mm之间，并且特别优选地为22mm。优选地，第二附加齿轮的直径处于5到7mm之间，并且特别优选地为6mm。优选地，第一附加齿轮136的直径与第二附加齿轮的直径之间的比例处于2到4之间，并且特别优选地为3.5。

在致动元件110的远离壳体100的端部114与齿轮元件135的轴承之间布置有压缩弹簧120，使得在窗或门的开启状态下，大部分的致动元件110位于壳体100外，其中在窗或门的开启状态下，弹簧处于不受力的状态。这对应于致动元件110的第一位置。在致动元件110的第二位置中，即当窗或门被关闭时，致动元件110的端部114与壳体100的第一侧壁101齐平。在该状态下，压缩弹簧120被挤压，使得在重新开启窗或门时，致动元件110被推回到第一位置中。

进一步地，齿轮元件135的第一附加齿轮136在第一附加齿轮136的相对的端部处与两个相同设计的齿轮130耦接。该耦接引起两个齿轮130具有同一转动方向。因为第一附加齿轮136的半径约为齿轮130的半径的三倍，所以两个齿轮130的转速为齿轮元件135的转速的三倍。

每个齿轮130都具有永磁体140，该永磁体分别扇形地在面上以16个极磁化。永磁体140设计得与装置的第一实施方案中完全相同。在此，每个齿轮130都基本上是盘状的且被布置在对应的永磁体140上方，而永磁体同样是盘状的。不同于装置的第一实施方案，相应齿轮130的半径远小于永磁体140的圆盘的半径。齿轮130的直径优选地处于7到9mm之间，并且特别优选地为8mm。永磁体140的圆盘的直径优选地处于16到20mm之间，并且特别优选地为18mm。因此，该比例优选地为约1:2。

每个齿轮130都分别借助于自由轮，与附属的永磁体140耦接。在此，自由轮在顺时针方向上卡住一个齿轮，而在逆时针方向上卡住另一齿轮。这引起，在齿条驱动的当前布置中，在对致动元件110进行致动时，即如果致动元件110被从第一位置压入到第二位置中，则齿轮元件135以顺时针方向转动，而两个齿轮130以逆时针方向转动。

由于自由轮，只能有一个永磁体140可以因此随之转动。如果门或窗被开启并且致动元件110由于压缩弹簧120的力的作用而从第二位置被压回到第一位置中，则齿轮由于上文中描述的机构而以顺时针方向转动，其中这一次，另一永磁体随之转动。由于永磁体140的高传动比和低摩擦的轴承，可以由此在线圈161中感应出大量电流。在此，与第一实施方案中完全相同地布置线圈161。每个永磁体140的下方分别布置有圆盘160，在其上分别安置有多个扇形布置的线圈161。当前，每个圆盘160的线圈161的数量是7。

附图标记列表

100 壳体

101 第一侧壁

102 第二侧壁

110 致动元件

111 柄

112 啮合元件

113 杆件

114 致动元件的远离壳体的端部

115 棒

116 孔

117 齿条区域

118 钻孔

120 压缩弹簧

130 齿轮

132 齿部

135 齿轮元件

136 齿轮元件的第一附加齿轮

140 永磁体

150 扭力弹簧

160 布置有线圈的圆盘

161 线圈。