CN103988269B - 用于非接触式感应能量传递的插接装置以及用于这种插接装置的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从初级部分(1)到次级部分(1’)的非接触式感应能量传递的插接装置，该初级部分和次级部分分别具有至少一个线圈(10、10’)，其能以感应方式彼此耦合。该插接装置的特征在于，至少一个线圈(10、10’)分别与至少一个铁氧体芯(11、11’)共同作用。此外，本发明还涉及一种针对用于从初级部分(1)到次级部分(1’)的非接触式感应能量传递的插接装置的运行方法。在初级部分(1)中，执行用于感应能量传递的初级线圈(10)的运行参量的测量并依赖于测得的运行参量来禁止能量传递。

Description

用于非接触式感应能量传递的插接装置以及用于这种插接装 置的运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于从初级部分到次级部分的非接触的能量传递的插接装置，该初级部分和次级部分分别具有至少一个线圈，其能以感应方式彼此耦合。此外，本发明还涉及一种用于安全地运行这种插接装置的运行方法。

背景技术

对于那些通过以机械方式连接或分开的接触元件来实现能量传递的插接连接器来说，非接触式插接装置在由于多次的插接循环或强烈的振动导致的磨损方面有优势。此外，还防止了在电负载下进行插入或拔出时的触点烧损。对于非接触式插接装置也没有在分开具有高电流负载的插接连接器时构造出电弧的危险。最后，在非接触的能量传递中，在初级部分与次级部分之间存在电分离，这例如在使用在医疗领域中的情况下可以是需要的。此外，省略耗费的机械地彼此嵌接的接触可以实现设计出具有尽可能平滑的表面的插接装置，这使得非接触式插接装置适用于对清洁/卫生有提高的要求的应用目的，例如在食品领域中。

文献DE2752783描述了一种特别是在医疗领域中用于传递电测量信号的插接装置，其中，在插接器中集成有呈环形的接收线圈，其在插入状态下与在配对插接器中的同样呈环形的发射线圈通过传递间隙感应耦合。配对插接器的发射线圈被加载交流电压，其在插接器的接收线圈中感应出电压，该电压在整流之后被用于运行在插接器中预设的用于测量信号的评估电子装置。通过评估电子装置将测量信号调制到光源上，从而使测量信号能够以光信号的形式与配对插接器电分离地进行传递。所说明的感应能量传递与使用目的匹配地仅适用于传递用于供给测量电子装置和光源的很小的功率以传递信号。

特别是高抗磨损性使非接触式感应能量传递在自动化领域中也是令人感兴趣的，例如用于将能量传递到机器人的替换工具上。但是，为此需要通过在之前提到的文献中所描述的装置不能传递的功率。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种开头提到类型的插接装置，通过该插接装置也能够以非接触的方式高效且安全地传递较高的优选在几十瓦特至几百瓦特范围内的功率。

该任务通过具有独立权利要求的相应特征的插接装置或者运行方法来解决。插接装置的有利设计方案和改进方案在从属权利要求中进行说明。

根据本发明的用于从初级部分到次级部分的非接触式感应能量传递的插接装置，该初级部分和次级部分分别具有至少一个线圈，其能以感应方式彼此耦合，该插接装置的特征在于，至少一个线圈分别与至少一个铁氧体芯共同作用。铁氧体芯以如下方式提高了通过其导磁率导致的磁流，即，在插接装置的很小的结构大小和很小的传递面的情况下也能传递较高的电功率。当初级部分和次级部分(还)没有位于它们之间的间距最小的位置中时，而是当它们之间出现间隙时，能量传递由于很高的磁流就已经实现了。由此，即使在振动或存在其他导致初级部分与次级部分之间的间距增大的机械影响的情况下，能量传递仍然是稳定且不易出错的。同样，例如在次级侧供给电流的引导机构或安全机构在两个部分的靠近阶段上就已经可以被激活。

在插接装置的有利设计方案中，在初级部分中，至少一个逆变器连同电子组件与线圈和铁氧体芯整合在一起地布置在壳体中。同样有利的是，在次级部分中至少一个整流器连同电子组件与线圈和铁氧体芯整合在一起地布置在壳体中。以这种方式产生如下插接装置，该插接装置可以与有接触的插接装置类似简单地例如布置在用于能量传递的电缆中。

在插接装置的另一有利设计方案中，相应的电子组件与相应的铁氧体芯形成热接触。优选的是，在初级部分或次级部分中电子组件分别布置在电路板上，该电路板通过传热介质与铁氧体芯热耦合。由于热耦合，相应的铁氧体芯通过在电子组件中产生的损耗功率被加热。在铁氧体芯的运行参数的很宽的范围之内，其功率损耗由于交变磁化过程随着温度提高而下降。因此，在铁氧体芯上通过热耦合实现的温度升高导致在铁氧体芯中的损耗减小，由此插接装置的总效率(传递效率)提高。

在插接装置的另一有利设计方案中，壳体内部相对于周围介质，特别是相对于周围液体密封。因此，插接装置可以在有灰尘、沙子或潮湿的环境之中使用。例如使用在水下也是可行的。

根据本发明的针对用于从初级部分到次级部分的非接触式感应能量传递的插接装置的运行方法，其特征在于，初级部分执行用于感应能量传递的初级线圈的运行参量的测量并依赖于测得的运行参量来禁止能量传递。以这种方式，当根本不存在或者存在不合适的或有缺陷的用于感应耦合的次级部分处于初级部分对面时，由初级部分可以识别出。因此，正好在有能力传递较高的电能的插接装置中防止了由初级部分产生危险。

在运行方法的有利设计方案中，运行参量涉及在初级线圈上的电压和/或通过初级线圈的电流，当初级线圈被加载具有预设的参数的交流电压信号时，得到该电压或者电流。在此，预设的参数涉及用于产生交流电压信号的PWM方法的参量，特别是占空比。

附图说明

下面借助四个附图并结合实施例详细描述本发明。其中：

图1示出插接装置的第一剖视图；

图2示出在图1中所示的插接装置的另一剖视图；

图3示出用于表示在不同运行条件下铁氧体材料中比损耗功率与频率的相关性的图表；以及

图4示出用于非接触式插接装置的运行方法的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本申请的用于从初级部分1到次级部分1’的非接触式能量传递的插接装置的示意性剖视图。配属于初级部分1的在下文中也称为初级侧元件的元件在附图中具有没有撇号的附图标记。配属于次级部分1’的在下文中也称为次级侧元件的元件具有带有相应撇号的附图标记。在此，具有相同的或类似的功能的初级侧的和次级侧的元件设有具有相同数字的附图标记。如果在下文中没有明确指出初级侧或次级侧，那么就应用没有撇号的附图标记，这些附图标记涉及到两个侧。

初级部分1和次级部分1’分别具有壳体2，该壳体可以由用于插接器壳体的常见材料，例如塑料、铝或不锈钢或类似物制成。壳体2实施为半壳状，其中，壳体的前侧借助前面板3封闭。在从前面板3指离的后部区域中，在壳体2中装入用于联接电缆5的电缆穿引件4。

直接在前面板3之后分别布置有线圈10，该线圈缠绕在铁氧体芯11上，例如缠绕在置入铁氧体芯中的线圈体上。线圈10可以由单个导体来缠绕。但是，为了减小集肤效应优选应用多芯的高频绞合线。

在所示实施例中，铁氧体芯11在初级侧和次级侧是具有外边缘12和与该外边缘同中心的内部芯棒13的圆的盆状芯。这样的芯也被称为(圆柱对称的)E形芯。在此，外边缘12以及内部芯棒13的横截面优选是几乎一样大的，以便在考虑到在铁氧体芯11中的不同散射场的情况下实现均匀的磁通密度。应用具有其他几何形状的铁氧体芯也同样是可行的。例如可以使用具有圆的或者正方形的或者说矩形的铁氧体芯的正方形的或者矩形的芯。也可以应用没有线圈体的线圈，该线圈例如具有彼此粘合的导体。

铁氧体芯11朝向相应的前面板3敞开，而在对置侧上外边缘12和内部芯棒13通过盆底彼此连接。线圈10分别置入外边缘12与内部芯棒13之间的在此呈环形的沟槽中。在线圈10的内边缘和外边缘与铁氧体芯11之间可能还存在的间隙可以用导热介质填充。

在运行时，初级部分1和次级部分1’以它们相互面对的前面板3、3’以彼此间很小的间距引起非接触式感应能量传递。在图1中，形成传递间隙的间距被标记为传递间距d。依赖于线圈10或者说铁氧体芯11的大小，尤其是直径，传递间距d处于0至几毫米或几厘米的范围内。在运行时，初级侧的线圈10(在下文中也被称为初级线圈10)被加载交流电流。在此优选的是，由初级线圈10和谐振电容器形成谐振电路，其频率在几千赫兹(kHz)至几百kHz的范围内，其中，特别优选的是在几十kHz的范围内。用以加载初级线圈10的交流电流由逆变器提供。在逆变器中，为了产生交流电压在此例如使用脉宽调制方法(PWM)。逆变器与监控和控制设备一起位于初级部分1的壳体2内部的电路板20上。在附图中，示例性地在电路板20上画出了电子组件21。为了保护逆变器免受在由所谓的谐振电容器和初级线圈10形成的谐振电路中的振幅谐振过高，谐振电路稍微超谐振地，也就是在谐振频率之上的频率中运行。

对于能量传递取决于初级线圈10与次级侧的线圈10’(在下文中被称为次级线圈10’)之间的磁耦合，其由于存在的铁氧体芯11、11’是特别高效的。在次级线圈10’中感应出电压，该电压在整流、电压变换以及必要时电压稳定化之后作为在联接电缆5’上的输出电压提供用于输出所传递的能量。在次级侧的电子组件同样布置在电路板20’上，其中，在此又示例性地画出了各单个电子组件21’。有利的是，次级线圈可以具有中间抽头，从而可以应用同步整流器。

铁氧体芯11、11’允许高磁通密度，通过该高磁通密度在小线圈体积的情况下也能实现高效的能量传递。在此，这种传递可以比较容忍初级部分1和次级部分1’相对彼此的横向移动。这例如在自动化领域中是特别有利的，因为可以放弃用于建立起常规的有接触的插接连接的高定位精确度。

在图1所示的实施例中，没有设置彼此嵌接的引导元件或定位元件，它们使得初级部分1和次级部分1’在彼此插接时彼此横向对准。由于缺少这种元件，初级部分1和次级部分1’也可以通过横向运动，也就是通过在前面板3、3’的延展方向上的运动被带入运行位置中或被彼此分离。这正好证实在自动化领域中是特别有利的，因为初级部分和次级部分1、1’朝向彼此的附加的轴向运动对于插接连接的建立和分离而言不是必需的。但是根据计划好的应用目的，在替选的设计方案中也可以设置这种类型的引导元件或定位元件。

不仅在初级部分1中而且也在次级部分1’中，在相应的铁氧体芯11与电路板20之间布置有导热垫14。特别是在初级侧中但也在次级侧中，布置在电路板20上的电子构件21表示在传递路径中很大的损耗源。由这些结构元件21产生的损耗热通过导热垫14传递到铁氧体芯11上。由此，与没有到电路板20上的热耦合的情况相比，铁氧体芯11在运行时被加热到较高的运行温度上。因此，如借助图3所示的那样，能量传递的效率提高了。也可以例如使用灌封物料来代替导热垫14，以便使电路板20与铁氧体芯11热耦合。

图3在双对数坐标纸中示出针对铁氧体芯11的示例性的铁氧体材料的比损耗功率Pv与运行频率f的相关性。该相关性以针对在50毫特斯拉(mT)至200mT之间变化的不同磁化的多组曲线对来说明。在每个曲线对中，上部的实心曲线说明了铁氧体芯11在25℃下，也就是大约室温下的比损耗功率，而下部的虚线说明了铁氧体芯11在100℃下的比损耗功率。可以看出，在针对每个所用的磁化的整个所示频率范围中，在铁氧体芯11中在较低温度下的损耗大于在较高温度下的损耗。先前所描述的将电子组件的损耗功率作为热量引入到铁氧体11中提高了该铁氧体的温度，并且因此由于交变磁化而降低了在铁氧体11中的损耗功率。由此改进了传递系统的总效率。这种效果不仅可以用在初级侧上而且也可以用在次级侧上。同时，存在的铁氧体芯11、11’由于热耦合作为用于电子组件21、21’的冷却体来使用，由此作为附加效果实现了节省材料并因此节省成本。

如果初级部分1被运行但没有合适的互补的次级部分1’相对该初级部分布置，那么在插接装置运行时由于可传递的高功率会存在潜在危险。在最不危险的情况下，初级部分1“空转运行”，但这意味着用于初级部分的不必要地高的空转能量消耗，并且在电磁污染的不期望的辐射方面也是不期望的。而如果初级部分1相对传导的，例如金属的面定位，那么该初级部分的运行很少是不危险的。在金属的面中感应出的电流可以使该面被加热。初级部分也不应与不合适的或有缺陷的次级部分一起运行。

在图4中描述了一种用于插接连接的用于非接触式感应能量传递的运行方法，该插接连接不仅防止了初级部分1的提高的空转能量消耗，而且也防止了到除了合适的次级部分1’之外的其他元件上的不受控的能量传递。所示的运行方法可以例如借助之前结合图1和图2所描述的插接装置来实施。因此，示例性地参考该插接连接进行描述。

在第一步骤S1中，具有预设的第一参数的交流电压信号输出到初级线圈10上。在所示示例中，为此调整预设的用于PWM方法的第一参数，例如占空比。

然后在步骤S2中可以首先设置延迟时间(在此示例性地为15毫秒)，其用于由于在步骤S1中的调整的系统瞬态震荡。如果系统仅需要可忽略地短的时间以执行经改动的调整，那么步骤S2是可选且可以省略的。

在步骤S2之后，在步骤S3中，通过初级线圈1的电流被测量作为初级线圈10的运行参量。仅当在初级部分1对面存在次级部分1’时，测得的电流才保持在与第一参数相关的预设的电流极限值之下。附加或替选地可以规定，除了通过初级线圈1本身的电流之外还可以观察该电流在时间上的变化率。在次级侧，通常针对被整流的电压设置有中间电路电容器，该中间电路电容器的充电在调整具有预设的第一参数的交流电压信号之后导致通过初级线圈1的电流随着表征的时间分布曲线的电流变化。因此，不仅可以通过电流的绝对值，而且也可以通过其变化率在步骤S3中测定是否有次级部分1’位于初级部分1对面。

如果不存在次级部分1’，也或者如果导电的面位于初级部分1对面，那么测得的电流超出极限值和/或其变化率并没有示出所期望的表征的分布曲线。在这种情况下，该方法分岔到步骤S10，在该步骤中初级线圈10不再被加载电压，换句话说不进行能量传递。在这种状态下，该方法在步骤S11中停留相对较长的延迟时间，在此示例性地是0.5秒。在该延迟时间结束之后，该方法重新以S1继续运行，其中，又施加第一振幅到初级线圈10上。因此，在其持续时间大致相应于步骤S11的延迟时间的一个循环中，系统尝试建立能量传递(轮询方法)。可以规定，在次级侧可能存在的电容器通过放电机构在步骤11的时间中放电，从而在该方法以步骤S1重新启动时，以相同的初始条件启动。这特别是对步骤S3以及在那里进行的对电流值或电流变化值的检查是有利的。为了放电，在次级侧可以存在电流沉(Stromsenke)，其在初级部分1和次级部分1’完成耦合(参看步骤S9)之后被切断，以便减少电流消耗。

当在步骤S3中确定了测得的电流在极限值之下和/或示出了所期望的时间相关性时，该方法在经历步骤S4中的另一很短的延迟时间之后以步骤S5继续运行，在该步骤5中，在初级线圈10上的电压大小被确定为另一运行参量。如果在步骤S5中确定电压不满足特定的预设的先决条件，那么该方法又分岔到步骤S10中。而如果电压位于预设的范围之内，那么该方法以步骤S6继续运行。

在步骤S6中，初级线圈10被加载具有预设的第二参数的交流电压信号。在所示示例中，为此类似于步骤S1地调整PWM方法的第二参数，又例如是占空比。在经历步骤S7中的用于由于变化的运行条件的系统瞬态震荡(参见步骤S2)的更新的可选的延迟时间之后，在后续的步骤S8中再次测量在线圈上的电压。如果该电压不满足预设的与第二参数相关的第二电压标准，那么系统再次分岔到步骤S10。仅当在步骤S8中确定了第二标准也被满足时，该方法才以步骤S9继续进行，在该步骤9中，初级线圈10运行以进行能量传递。

在步骤S9中初级部分1运行期间，连续测定通过初级线圈1的电流和/或流过逆变器的开关元件的电流。如果电流的绝对值超出特定的极限值，那么运行中断且该方法分岔到步骤S10。因此，在初级侧可以识别出在次级侧上过高的负载。此外，借助该电流检查在逆变器的输出端上的曲线形状。曲线形状与正弦曲线偏差过大意味着不正确的次级侧。因此，也可以检测到否则是合适的次级部分1’的移除。在这种情况下，该方法同样分岔到步骤S10。

所示方法具有如下优点：在初级侧识别出不正确的次级侧。不需要次级部分1’到初级部分1的反馈以保证初级部分1的安全运行。在运行环境中，由于环境条件和/或也由于自己的损耗功率，系统可以承受很宽的温度范围(例如-20℃至100℃之间)内的温度。在该方法中，例如在步骤S3和S8中所使用的参数和/或极限值可以依赖于温度地预设，以便在每个可能的运行温度下都以对正确工作的次级侧的可靠识别确保正确的方法流程。

在插接连接器的替选设计方案中，能替选地或附加地使用以次级部分到初级部分的反馈为基础的安全机构。

在插接连接器的另一替选设计方案中可以规定，在运行中持续地测定并检查气隙的大小。气隙可以借助谐振电路在谐振频率上的失调，必要时结合在初级线圈中流动的电流来测定。可以规定，禁止在超出预设的间距d(参见图1)时进行能量传递。

此外，可以在次级侧例如通过具有高电容的电容器来设置能量缓冲，以便在暂时的电压下降时，例如在替换工具期间之内，在次级侧维持运行或应急运行。

在插接连接器的有利设计方案中，该插接连接器设计用于在流体介质中的运行。为此，一方面壳体2结合前面板3相对流体介质密封。另一方面可以附加地设置例如在铁氧体芯11与前面板3之间的很薄的气隙形式的隔热部，以便在非常冷的流体周围介质内部也实现了之前所描述的由铁氧体芯11变热导致的效率改善的效果。此外，通过传递间隙d的传递可以通过流体介质的改变的磁导率得到优化。在壳体2与前面板3之间的密封也有利地提供了保护以防灰尘和污物。

附图标记列表

1 初级部分

1’ 次级部分

2、2’ 壳体

3、3’ 盖板

4、4’ 联接电缆

5、5’ 电缆穿引件

10 初级线圈

10’ 次级线圈

11、11’ 铁氧体芯

12、12’ 外边缘

13、13’ 内部芯棒

14、14’ 导热垫

20、20’ 电路板

21、21’ 电子构件

Claims (6)

1.一种针对用于从初级部分(1)到次级部分(1’)的非接触式感应能量传递的插接装置的运行方法，其特征在于，所述初级部分(1)执行用于感应能量传递的初级线圈(10)的运行参量的测量并依赖于测得的运行参量且依赖于温度来禁止能量传递，其中，所述运行参量涉及在所述初级线圈(10)上的电压和/或通过所述初级线圈(10)的电流，其中，所述运行参量的测量被用于识别是否存在合适的次级线圈，或者说是否不存在次级线圈或者存在不合适的或有缺陷的次级线圈。

2.根据权利要求1所述的运行方法，其中，将所述运行参量与极限值进行比较，其中，所述极限值依赖于温度地设置。

3.根据权利要求1或2所述的运行方法，其中，所述初级部分和所述次级部分分别具有至少一个线圈(10、10’)，所述至少一个线圈能以感应方式彼此耦合，其中，所述至少一个线圈(10、10’)分别与至少一个铁氧体芯(11、11’)共同作用，其中，在所述初级部分(1)中，至少一个逆变器连同电子组件(21)与所述线圈(10)和所述铁氧体芯(11)整合在一起地布置在壳体(2)中，和/或在所述次级部分(1’)中，至少一个整流器连同电子组件(21’)与所述线圈(10’)和所述铁氧体芯(11’)整合在一起地布置在壳体(2)中，其中，相应的电子组件(21、21’)与相应的铁氧体芯(11、11’)形成热接触，其中，相应的铁氧体芯通过在电子组件中产生的损耗功率来加热。

4.根据权利要求1或2所述的运行方法，其中，所述运行参量涉及在所述初级线圈(10)上的电压和/或通过所述初级线圈(10)的电流，当所述初级线圈(10)被加载具有预设的参数的交流电压信号时，得到所述电压或者所述电流。

5.根据权利要求4所述的运行方法，其中，所述预设的参数是用于产生所述交流电压信号的PWM方法的参量。

6.根据权利要求4所述的运行方法，其中，所述预设的参数是用于产生所述交流电压信号的PWM方法的占空比。