CN106471342A - 传感器装置以及具有这种传感器装置的滚动轴承 - Google Patents

传感器装置以及具有这种传感器装置的滚动轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在拥有固定的轴承部件和可转动的轴承部件的转动轴承上的传感器装置。在固定的轴承部件上布置有初级线圈(06),初级线圈与供应单元以有线连接的方式相连。传感器电路和给该传感器电路供应电能的次级线圈安装在可转动的轴承部件上。根据本发明,初级线圈(06)和次级线圈是按照Qi标准构建的能量传输单元的组成部分。通过在初级线圈与次级线圈之间的感应耦合,至少用于传感器电路的运行能量、优选地还有用于在传感器电路与供应单元之间的通信的数据被传输。

Description

传感器装置以及具有这种传感器装置的滚动轴承
技术领域
背景技术
[0001] 无线能量传输对于在电子器件领域中的诸多应用来说是有吸引力的。基于电感 的、电容的或者电磁的原理来将能量从发送设备传输到接收器。如果电缆和电接触都是不 可应用的,那么以这种方式可以给电气构件或者电路供应为了运行而必要的能量。
[0002] 最常应用的原理是感应能量传输。通常的应用例如是用于移动电话、照相机和电 动牙刷的充电设备。但是,该形式的无线能量传输也用于电动汽车、在医疗技术中用于植入 物或者用于传感器设施。原则上,感应传输主要适合于如下应用,其允许在发送设备与接收 器之间的小的间距并且具有低的能量消耗。
[0003] 在感应能量传输原理中,类似于变压器的工作原理地,在交变电流流过的传送器 线圈中产生电磁交变场。在接收器线圈中,通过由接收器的接收器线圈来接收的电磁交变 场来感应出电压。由于连接到接收器线圈上的负载,通过感应电压来引发通过电流,并且功 率被传输。
[0004] 根据实际情况,无线能量传输的很多方法和不同的应用都是公知的。
[0005] US 2014/035383 A1示出了一种用于无线接收能量的双模式接收器。接收器包括 电磁谐振器和接收器线圈。适配网络由无源部件组成。电磁谐振器的作用半径将选择性的 第一低频区域和选择性的第二高频区域包括在内,从而使得有源电路在两个频域中都是可 运行的。
[0006] US 2006/0199620 A1示出了一种用于能量传输的方法、设备和系统。该设备包括 多个发送器,多个发送器脉冲式地将能量传输给接收器,以便对负载进行供应。在此,接收 器不需要DC-DC转换器。发送器包括与脉冲生成器进行通信的天线。脉冲生成器传输发送器 的脉冲。所发送的电流脉冲只用于能量传输而不用于数据传输。
[0007] 在用于通过传感器获知物理测量参量的应用中,数据的无线传输是常常应用的、 对通常花费高的具有布线的结构的替选方案。
[0008] DE 100 19 539 A1示出了一种具有无线能量供应的传感器和一种用于无线能量 传输的方法。传感器单元具有由电容和线圈组成的振荡电路,用以测量、接收电磁波并且形 成传感器信号。通过转接器或者滤波器来实现将传感器信号拆成馈电成分和有效信号成 分。传感器在测量期间被供以电能。
[0009] 在DE 10 2006 015 111 A1中示出了一种具有两个可相互移动的轴承部件的转动 轴承,在两个可相互移动的轴承部件之间具有润滑脂。润滑剂特性由润滑剂传感器监控,润 滑剂传感器具有至少一个压电元件。润滑剂传感器通过信号传输路径与分析设备相连。信 号传输可以以有线连接的方式或者通过无线发送路径来实现。传感器应该由分析设备来供 以能量,然而没有详细说明这如何可以在无线信号传输的情况下实现。
[0010] US 2002/050754 A1示出了一种具有非接触的信号传输机构的轴承。环形磁铁通 过磁铁保持单元安装在轴承的外圈上。具有发电机线圈的线圈保持单元布置在内圈上并且 面对环形磁铁。具有发送电路和结形天线的结构单元与线圈保持单元相连。内圈的旋转促 使发电机产生电流。所产生的能量引导到传输电路上。传感器的输出信号作为缺乏能量的 波由传输电路通过结形天线来传输并且由静止的一侧接收。
[0011] DE 10 2012 015 000 A1示出了一种具有用于移动设备的充电站的电安装设备。 充电壳包括初级充电线圈,初级充电线圈利用处理和操控单元连接在电流源上。通过感应 能量传输给移动设备的次级充电线圈供应能量。
[0012] 由于越来越多的由可再充电的能量源供能的移动设备,所以存在多个用于无线能 量传输的具有不同的技术特征的充电设备。耗电器不舒适地面对多个设备,设备此外也需 要不同的线缆。作为对从中得出的对简化或标准的需求的反应,企业集团形成无线电源联 盟,企业集团针对设备、尤其是充电设备的互通性研发出所谓的Qi标准,Qi标准的细节例如 在如下网址中公开:http://www .wirelesspowerconsortium.com/developers/ specification.html。
[0013] Qi技术允许的是:在最大5W的低功率范围内,在从110Hz到205Hz的传输频域内,并 且以发送器的19V的运行电压无线地、感应地传输能量。发送接收器线圈设计为平坦的并且 对置地、通常以5mm的间距来布置。用于Qi技术的基本结构设置了具有发送线圈的基站,基 站将能量传输给具有接收器线圈的接收器单元。在此,接收器单元定期耦合到蓄电池上,以 便给该蓄电池充电。此外,接收器单元单向地与发送单元通过所配属的监控单元进行通信, 以便可以通过负载调制来进行特定的功率适配。
[0014] EP 2 709 231 A1示出了一种用于与有线网络相连的场设备的能量供应系统。为 了数据通信,能量供应系统配备有具有无线电模块的外部单元。该无线电模块与场设备相 连并且拥有电流供应。电流供应适配器包括用于无线能量传输的能量发送器。电流供应单 元包括感应地与该能量发送器親合的能量接收器。能量发送器和能量接收器相应于Qi标 准。
[0015] W0 2014/020464 A2示出了一种运行方法,该运行方法用于通过功率信号从传送 器到接收器的感应能量传输,其中,能量传输系统与Qi标准是兼容的。能量传输系统设置的 是,扩展接收器与传送器的对应于Qi标准的单向通信并且能够实现从传送器出发在传送器 与接收器之间的通信。在此,通信基于功率信号的负载调制。
发明内容
[0016] 从现有技术出发,本发明的任务在于提供一种简化的并且廉价的传感器装置,传 感器装置可以在旋转部件、尤其是转动轴承上实现,允许采用不同的传感器以及监控不同 的物理参量、能够实现对可转动的部件的监控并且同时省去了结形接触部的使用。
[0017] 该任务通过根据随附的权利要求1的传感器装置来解决。
[0018] 根据本发明的传感器装置优选在转动轴承上实现,转动轴承包括固定的轴承部件 和可转动的轴承部件。通常涉及具有轴承内圈、轴承外圈和布置在其间的滚动体的滚动轴 承,但是不排除其他的轴承类型。一般来说,本发明可以在所有为了旋转而支承的可转动的 部件上实现。
[0019] 在固定的轴承部件上或与该固定的轴承部件相连地安装有初级线圈,初级线圈以 有线连接的方式与供应单元相连。供应单元可以直接定位在轴承上、轴承壳体上或者也可 以与其远离地定位。供应单元将初级交流电提供给初级线圈,从而使得初级线圈构建出电 磁交变场。初级线圈布置为使得初级线圈包绕可转动的部件,优选与该可转动的部件同心 地布置。
[0020] 传感器电路和给该传感器电路供应电能的次级线圈安装在可转动的部件或轴承 部件上。在此,次级线圈处在初级线圈的交变场中,从而在次级线圈中感应出次级电压并且 供应该传感器电路的电流可以流过。次级线圈优选地与初级线圈同心地取向并且在此包绕 可转动的部件。电流供应构件以本身已知的方式存在,电流供应构件从次级电压中产生对 于传感器电路所必需的运行电压。
[0021] 为了建立与流行的、廉价的构件的兼容性,初级线圈和次级线圈构建为按照Qi标 准工作的能量传输单元的组成部分。通过Qi标准确定电参数和结构参数,这些参数在构建 该传感器电路的情况下应该被遵循,但是这里不必详细描述。特别优选地,初级线圈和次级 线圈不仅对于能量传输起作用,而且也对于数据传输起作用,数据传输同样考虑到Qi标准 的条件。但是,其他类型的用于将传感器数据从可转动的轴承部件传输至固定的轴承部件 的无线通信同样也是可想到的。
[0022] 根据本发明,通过在初级线圈与次级线圈之间的感应耦合,至少用于传感器电路 的运行能量,但优选地也用于在传感器电路与供应单元之间的通信的数据被传输。关于特 定的待传输的数据,优选的实施方式使用Qi标准,然而传送其他的内容,这是因为不仅对于 给蓄电池充电所必要的负载数据和运行数据被传输。重要的是:由轴承上的传感器接收的 测量值无线地传送给固定的供应单元,以便从那里开始供支配用于进一步的数据处理。
[0023] 本发明的重要的优点在于,能够无线地实现对可变的轴承传感器设施的能量供应 和同时实现从传感器到任意的电子器件的数据传输。能量供应借助于成熟的Qi标准来实 现,尽管Qi标准迄今为止在传感器设施的领域中还不曾得到应用。由此可能的是,成本低廉 地、安全地并且标准化地将传感器设施安放在运动的轴承部件上。
[0024] 按照优选的实施方式,传感器装置的初级线圈沿着固定的轴承圈的周边延伸,而 具有安装在其上的次级线圈的可转动的轴承部件处在初级线圈之内。在这种情况下,初级 线圈可具有比次级线圈明显更大的横截面,从而可以高效地对能量传输进行设计。在初级 线圈与次级线圈的旋转对称的设计方案中,能量传输和数据传输与可转动的轴承部件的相 应的角位置无关。通过所使用的Qi标准,即使在可转动的轴承部件静止时也保证了对传感 器的能量供应,从而例如可以在所支承的装置开始运转之前查询轴承的状态参数。
[0025] 在传感器装置的特别优选的实施方式中,可转动的轴承部件是滚动轴承的内圈, 而固定的轴承部件是滚动轴承的外圈。优选地,初级线圈安装在外圈的外侧上,次级线圈安 装在内圈的内侧上。滚动轴承的滚动面因此没有被传感器装置干扰。只要轴承圈由铁磁材 料构成,那么保证铁材料与线圈之间的间距就是适宜的,以便不过于强烈地损害由线圈产 生的交变场,这是因为这使能量传输恶化。
[0026] 在修改的实施方式中,次级线圈可以安装在旋转的轴或者类似的部件上,而初级 线圈例如安装在两个轴承m轴承壳体之间,以便同心地包绕次级线圈。
[0027] 优选地,传感器电路和次级线圈安装在柔性的承载件上,承载件例如承载用于实 现传感器的由聚偏二氟乙烯(PVDF)构成的薄膜。尤其适宜的是,柔性的承载件安装在滚动 轴承的内圈的内侧上。
[0028]原则上可以使用任意的传感器,这是因为传感器电路的有源的电流供应是可能 的。因此,可以通过已知的传感器例如对力、磨损值、转速、温度、润滑剂的粘度进行监控或 者其他影响轴承的运行能力的参数。根据实施方式,传感器电路包括安置在柔性的承载件 上的应变传感器。
[0029] 适宜的是,供应单元包括第一微处理器,第一微处理器将初级电压提供给初级线 圈,并且因此控制对供应能量的提供。优选地,供应单元此外还使馈入到初级线圈中的初级 电流记录(einpriigen)所有控制数据,控制数据应该传输给传感器电路。例如,尤其是当多 个传感器配属于传感器电路时,控制数据可包含相应的传感器的ID地址。此外还可以传输 校准数据或者外部单元的数据,如果这些数据对于传感器电路的按规定的运行或由传感器 所提供的测量值的分析来说是必需的。此外,供应单元还观察到出现在初级线圈中的互感, 互感由变化的次级电流引起,次级电流由次级线圈创造出并且代表传感器电路的响应数 据。供应单元滤出响应数据并且使响应数据供支配用于随后的处理。针对数据传输,优选地 考虑Qi标准的规则,然而也可以应用无线通信的其他已知的形式。
[0030] 根据优选的实施方式,传感器电路拥有第二微处理器,第二微处理器处理由传感 器提供的测量值并且将已经提及的形式为经数据调制的次级电流的响应数据提供给次级 线圈。
[0031] 此外,本发明的任务还通过根据并列的权利要求10的滚动轴承来解决。该滚动轴 承拥有固定的轴承部件和可转动的轴承部件,以及此外还拥有之前阐述的传感器装置。 [0032] 本发明的其他的优点和细节从随后描述的实施方式参考附图得出。
附图说明
[0033]图1示出了具有根据本发明的传感器装置的布置在自行车内轴承中的滚动轴承的 原理上的横截面图。
具体实施方式
[0034]图1在横截面中示出了滚动轴承01,滚动轴承是自行车内轴承的组成部分。自行车 内轴承布置在框架管02中。柔性的承载件03安装在滚动轴承01的内圈的内侧上。承载件03 提供用于构造一个或多个传感器,例如用于应变传感器和温度传感器的面,应变传感器和 温度传感器确定出现在轴承内圈上的机械应力以及温度。传感器通过构造在承载件03上的 电导体与其他的结构元件联接成传感器电路。其他的结构元件在此布置在印刷电路板接片 04上。
[0035] 此外,两个支撑接片05安装在承载件03上。最后,承载件03承载次级线圈(未示 出),次级线圈利用在其中产生的电流来给传感器电路供应所需的能量。此外,传感器电路 还将响应数据提供给次级线圈,用以将数据无线地、感应地传输给初级线圈06,初级线圈布 置在滚动轴承的固定的外圈的外侧上。
[0036] 初级线圈06与供应单元(未示出)电相连,而且由该供应单元馈电。因此,初级线圈 06和次级线圈是按照Qi标准来构建的能量和数据传输单元的组成部分。通过充分利用在Qi 标准中详细限定的感应耦合,对于传感器电路必需的能量从初级线圈传输给次级线圈。此 外,在两个线圈之间的双向的数据传输以上面所描述的方式和方法来进行。
[0037] 附图标记列表
[0038] 〇1滚动轴承 [0039] 02框架管
[0040] 03柔性的承载件
[0041] 04印刷电路板接片
[0042] 05支撑接片
[0043] 〇6初级线圈

Claims (10)

1. 一种传感器装置,其具有固定的部件和能转动的部件,在所述固定的部件上安装有 与供应单元以有线连接的方式连接的初级线圈(06),在所述能转动的部件上安装有传感器 电路和给所述传感器电路供应电能的次级线圈,其特征在于,所述初级线圈(06)环形地包 绕所述能转动的部件;所述次级线圈同心地布置在所述初级线圈之内;并且初级线圈和次 级线圈是按照Qi标准工作的能量传输单元的组成部分,其中,至少用于所述传感器电路的 运行能量通过在初级线圈与次级线圈之间的感应耦合来传输。
2. 根据权利要求1所述的传感器装置,其特征在于,用于在所述传感器电路与所述供应 单元之间的通信的数据也通过在初级线圈与次级线圈之间的感应耦合来传输。
3. 根据权利要求1或2所述的传感器装置,其特征在于,所述初级线圈(06)沿着具有环 形横截面的固定的轴承部件的周边延伸;并且所述次级线圈安装在能转动的轴承部件上。
4. 根据权利要求1至3之一所述的传感器装置,其特征在于,所述传感器电路和所述次 级线圈安装在柔性的承载件上,所述柔性的承载件与所述能转动的部件相连。
5. 根据权利要求4所述的传感器装置,其特征在于,所述柔性的承载件安装在滚动轴承 (01)的内圈的内侧上。
6. 根据权利要求5所述的传感器装置,其特征在于,所述传感器电路包括安置在所述柔 性的承载件上的应变传感器。
7. 根据权利要求1至6之一所述的传感器装置,其特征在于,所述固定的部件是滚动轴 承(01)的外圈,并且所述初级线圈(06)安装在所述外圈的外侧上。
8. 根据权利要求1至7之一所述的传感器装置,其特征在于,所述供应单元包括第一微 处理器,所述第一微处理器对将供应能量提供给所述初级线圈(06)进行控制,使馈入到所 述初级线圈(06)中的电流记录控制数据,监控出现在所述初级线圈(06)中的互感并且处理 所述传感器电路的响应数据。
9. 根据权利要求1至8之一所述的传感器装置,其特征在于,所述传感器电路包括第二 微处理器,所述第二微处理器处理由传感器提供的测量值并且将响应数据提供给所述次级 线圈。
10. 具有固定的轴承部件和能转动的轴承部件的滚动轴承(01),其特征在于,所述滚动 轴承此外还包括根据权利要求1至9之一所述的传感器装置。
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