CN107078371B - 用于电隔离的能量传输的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电隔离的能量传输的装置以及方法，其中能量通过电介质波导来传输。

Description

用于电隔离的能量传输的装置和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于电隔离的能量传输的装置、以及根据权利要求12的前序部分所述的用于电隔离的能量传输的方法。

背景技术

由GB 2 185 860A、US 2012/133306 A1和US 3 746 424A已知的是，在能量技术设备中，部件必须被操控并且被供应能量。在此情况下必须确保，系统部件相对于高压电位是绝缘的，因此需要电隔离的构造。

这些部件例如可以是必须相对于地电位绝缘的开关元件、电子组件或测量点。在此，能量传输尤其是无线地、例如通过所谓的“射频识别（RFID）”技术或者通过光波导来进行。

在此，所接收的功率明显低于1瓦特，大多处于100mW范围内。这原因在于，为此所使用的基于二极管的整流器在电流和电压峰值以及冷却方面具有局限性。由于该原因，仅能给耗电器供应小的功率输入。

发明内容

本发明的任务是，说明克服前面提及的解决方案的缺点的方法和装置。

该任务通过根据权利要求1的特征的用于电隔离的能量传输的装置、以及通过根据权利要求12的特征的用于电隔离的能量传输的方法来解决。

根据本发明的用于以高电压范围中的电压进行电隔离的能量传输的装置被配置，使得能量传输通过电介质波导进行。由此实现，所接收的功率、即为耗电器设置的功率与现有技术所实现的相比明显更高、即直至10瓦特或更高。

电介质波导的根据本发明的使用还提供如下可能性：给多个耗电器供电，使得功率被分配到所述耗电器上。为此，优选地将电介质波导配置，使得电介质波导与至少一个第一整流器设备和至少一个第二整流器设备具有功能连接，使得第一整流器设备在输入侧到沿着波导的长度被定位的第一耦合输出点沿着电介质波导的长度具有导电连接，并且第二整流器设备在输入侧到沿着波导的长度被定位的第二耦合输出点具有导电连接，并且到波导的信号输入端以及彼此之间具有距离。因此，以此作为另一自由度在电介质波导的末端之前已经实现所传输的功率的耦合输出，其中第二耦合输出点或与整流器设备的可能的另一耦合输出点可以被布置在末端处。在此，通过不同的距离，产生功率的分配，所述功率然后通过整流器设备被转交给相应的耗电器。

如果想要实现1：n功率划分，其中n是耗电器/耦合输出点的数目，则因此有利的是，该装置被改进，使得第一耦合输出点的耦合输出的配置和/或第一耦合输出点到波导的信号输入端的距离以及第一耦合输出点的耦合输出的配置和/或第一耦合输出点到波导的信号输入端的距离被配置为相对于彼此变化，使得在第一和第二耦合输出点处提取的功率的值相等。

在如下改进方案中得到有利的配置，在所述改进方案中功能连接被构造为被定位在所述距离处的被配置用于耦合输出功率的孔、槽和/或安置在耦合输出点处的导体结构。这些构造尤其是特别适合于耦合输出的所提及的变型方案。

通过如下改进方案：在电介质波导处布置至少一个电绝缘屏蔽设备，延长所谓的爬电距离、即一般来说由环境影响造成的、尤其是在电介质的表面上延伸的电流的路径，并且由此使损耗最小化。

例如，为了将该装置的尺寸保持为小的，可以有利地使用该改进方案，使得绝缘屏蔽设备被配置，使得其介电常数小于电介质波导的介电常数并且直接被安置在波导处。在此，小的介电常数保证：直接被安置的屏蔽设备不影响、至少不干扰性地影响电介质波导的特性。

替代地，可能有利的是，改进本发明，使得绝缘屏蔽设备被布置，使得在电介质波导与屏蔽设备之间存在产生空间的距离。这尤其是在屏蔽设备的介电常数大于或等于电介质波导的介电常数时将是有利的。

替代地或补充地，有利的是，改进本发明，使得该空间用尤其是固体、液体或气体的绝缘介质来填充，所述绝缘介质尤其是具有低于电介质波导的介电常数的介电常数，因为一般来说将存在空间，并且一般来说可以有利地使用相应的填充物。例如，因为其与其它改进方案一样提供用于调节传输的最优行为的附加的自由度。

优选地，波导由至少一个有棱角的和/或圆形的棒形体构造。这例如是有利的，因为其被良好地研究，并且因此可以良好地关于最优功能、尤其是传输值被建模。

为了例如传输能量或提供电功率之外还实现数据传输、诸如定时信息的传输，有利的是，设置改进方案，在该改进方案中该装置被配置，使得在电介质波导的末端处在功能上连接所谓的尤其是被配置为同轴电缆或微带导体的波导结。

为了能够以高频率进行传输并且发挥其根据本发明的尤其是在高电压范围中的作用，将有利的是，如下改进本发明，即电介质波导由具有>1的介电常数的材料、尤其是氧化铝或特氟龙构成。通过该改进方案，最后还确保：能量传输的效率被进一步提高，因为减小辐射、即不想要的功率损耗。

在根据本发明的用于以高电压范围中的电压进行电隔离的能量传输的方法中，能量通过电介质波导来传输。根据本发明的方法通过其特征奠定通过根据本发明的装置及其改进方案发挥优点的基础。

附图说明

随后根据图中所示的实施例进一步阐述本发明和另外的优点。在此：

图1作为实施例示出电介质波导的根据本发明的配置，

图2示出本发明在优选应用领域中的一个实施例的简化电路技术图，

图3作为实施例示出根据本发明的改进方案的耦合输出装置的两个变型方案，

图4作为实施例示出根据本发明的改进方案的延长爬电距离的两个变型方案。

具体实施方式

在图1中示出了介电导体的可能的配置中的两个。第一实施变型方案“圆柱形（CYLINDRICAL）”和第二实施变型方案“矩形（RECTANGULAR）”二者都是棒形地被拉长的实心体，其中第一实施变型方案“圆柱形”具有圆形横截面，而第二实施变型方案具有矩形横截面。在此，所示出的棒形实心体“圆柱形”和“矩形”也可以通过彼此连接来形成更长的总结构。

在图2中可以看出根据本发明的装置的一个实施例的简化电路技术图，其也再现根据本发明的方法的一个实施例。

可以辨认出高压（高电压，HV）系统中的能量传输装置，该能量传输装置从高频信号发生器HF_SIGNAL_GENERATOR出发通过高频放大器HF_VERSTÄRKER在使用电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的情况下提供电流隔离和能量到整流器设备GLEICHRICHTER（整流器）的传输，使得通过波导传输的能量经受整流，使得可从整流器设备提取的经整流的、即作为直流电压存在的电压可供施加在高压线（HV线）上的终端设备ENDGERÄT使用。

为了使电子构件的效率保持尽可能高并且由于关于辐射行为的规章条件，可以将所示出的实施例改进为使得高频信号的频率处于ISM频带2.45GHz和5.8GHz的范围内。另外有利的是，为了有效的能量传输，使用在这样的传输频率范围中具有低tanδ的材料。

为了使波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER 保持尽可能紧凑并且使辐射最小化，介电常数ε_r被选择为尽可能高。实现所述根据本发明的改进方案所利用的示例材料是氧化铝或特氟龙。

在所示出的示例中变得明显的是，通过本发明变得可能的是，替代替通过多个独立的光波导，通过一个波导来传输能量。在此，在该实施例中所示出的电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER 有如下特性：不仅仅给一个耗电器ENDGERÄT 供电，而且给多个耗电器供电，因为根据本发明在导体DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的末端之前已经可以将功率耦合输出并且输送给另外的耗电器。

附加地，该装置由如下特性：不仅可以传输为了切换所需的能量，而且可以传输诸如时间信息之类的数据，因为为此可以利用HF源HF_SIGNAL_GENERATOR的高频电信号。

这同样是可能的，因为所示出的电介质波导根据本发明被使用，其中该电介质波导在圆形的或有棱角的（参见图1）、被实施为棒形的具有>1的介电常数的材料中引导mm波或微波范围内的高频电磁波。

为了该棒可以通过电磁波同时不仅传输能量而且传输通信信号、例如定时信号，该棒通过所谓的波导结WELLENLEITEREINKOPPLUNG（波导耦合输入）、例如通过同轴电缆、还有微带线或者类似的提供该功能的设备连接到频率发生器（信号源）HF_SIGNAL_GENERATOR上，该频率发生器具有该频率发生器HF_SIGNAL_GENERATOR的合适地选择的并且可调制的输出功率。

在图3中从先前的图示的节选（Auszug）可以看出所示出的根据本发明的改进方案，所述改进方案作为电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的另一优点得出并且在于，电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER可以在技术上不仅在其两个端点之间利用其导体特性，而且可以利用该电介质波导以仅仅唯一的导体来执行1:n传输。

这可以被实施，使得信号从波导中通过电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER在右侧所具有的孔或者电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER在图的左侧所具有的槽被提取，并且通过整流器设备GLEICHRICHTER被输送到相应耗电器，或者可以在最简单的情况下完全不对波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的材料结构化而结合金属导体结构被耦合输出。

用于场能的被定位在电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER上的不同点处的这些耦合输出可以处于不同电位，并且由于电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的绝缘特性在（直流）电压上彼此去耦合。在此出现的电位差可以由原理决定而非常大，并且通过构造措施也可以在应用条件下被实现。

由于沿着波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的多个耦合输出点的存在，在波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER中传输的能量根据耦合输出的功率下降。为此，本发明的一个改进方案规定，将从波馈入（在图3中用箭头来标记）考虑第一的耦合输出比稍后跟随的耦合输出更弱地实施（通过槽或开口的更小尺寸来示出），以便因此例如实现在所有耦合输出点处所提取的功率具有相同的值，如果这是所期望的话。也就是说，例如可以在总共3W的信号功率的情况下每个耦合输出点提取1瓦特（W），因此例如彼此尺寸相比第一耦合输出必须为1/3，第二耦合输出必须为1/2，并且第三耦合输出必须为1。

该可能性在根据本发明的波导结和耦合输出的情况下一般而言被提供，并且可以与多个耦合输出的可能性一起被视为所示出的实施方式的重要优点。

在图4中最后示出了配置，所述配置改进本发明，使得本发明延长HV电位与GND电位之间的所谓的爬电距离（参见图2）。

为此例如存在给波导配备屏蔽罩(Schirmen)的可能性。也就是说，例如通过绝缘体来加外壳。该变型方案可以在图4中在左侧辨认出。该屏蔽装置HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR（高压_绝缘体）可以在绝缘体 HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR的ε_r相对于波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的 ε_r是小的并且因此特性不受影响的情况下直接被安置在波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER（未示出）上。如果屏蔽罩HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR如所示的那样处于一定距离处。因为管直径大于波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的直径，因此在通过该距离产生的该空间中通常可以引入固体、液体或气体的绝缘介质，更确切地说，使得波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的在电 介质中引导电磁波的特性不受损害，而是相反地传输甚至还被优化。

电介质波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的在图4中在右侧所表明的曲折结构通过波导DIELEKTRISCHER_WELLENLEITER的成形来延长爬电距离的路径，并且因此没有绝缘体HOCHSPANNUNGS_ISOLATOR 也可以也行。

本发明不限于所示出的实施例，而是相反地包括所有的被权利要求书包括的实施方式，这些实施方式为了高电压系统（HV环境）中的能量传输代替光纤而使用电介质波导，并且尤其是发挥如下有利作用：

•电介质波导的用于同时提取在不同点处的信息（例如定时信号）以及不同电位上的相同或不同功率的一个或多个耦合输出点是可能的，以及将电介质波导用于HV环境中的信息和/或功率传输的该方案的进一步的改进由于屏蔽装置和/或曲折结构而被实现，被利用，使得可以产生几瓦特范围内的微波功率，并且这具有低硬件成本，这同样适用于利用电介质导体的功率的传输，

•另外具有如下优点：在安装相应部件时的公差要求被放松，并且此外由更短的单个棒拼接电介质波导是简单可能的，并且不需要要求高的接合公差，

•此外波导在其通过塑料注塑或者挤压来制造时是成本低的。如果波导由陶瓷、例如氧化铝制成，则波导可以同时被用于电路部分的冷却，以及

•另外给定：当例如在源侧在需要时两个或更多n个高频源同时在波导上工作和/或在耦合输出侧在需要时也实现两个或更多独立的耦合器时，冗余方案非常简单地被实现，所述耦合器全部彼此独立地从波导中提取所需要的运行功率和定时信号。

Claims (13)

1.一种用于以高电压范围中的电压进行电隔离的能量传输的装置，该装置被配置，使得所述能量传输通过电介质波导来进行，其中第一耦合输出点的耦合输出的配置和/或所述第一耦合输出点到所述波导的信号输入端的距离以及所述第二耦合输出点的耦合输出的配置和/或所述第二耦合输出点到所述波导的信号输入端的距离被配置为相对于彼此变化，使得在第一和第二耦合点处提取的功率的值相等，其中所述电介质波导与至少一个第一整流器设备和至少一个第二整流器设备具有功能连接，使得所述第一整流器设备在输入侧到沿着所述波导的长度被定位的第一耦合输出点沿着所述电介质波导的长度具有导电连接，并且所述第二整流器设备在输入侧到沿着所述波导的长度被定位的第二耦合输出点具有导电连接，并且到所述波导的信号输入端以及彼此具有距离，并且其中所述功能连接被构造为被定位在所述距离处的被配置用于耦合输出功率的孔、槽和/或被安置在所述耦合输出点处的导体结构。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述电介质波导处布置有至少一个电绝缘屏蔽设备。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电绝缘屏蔽设备被配置，使得其介电常数小于所述电介质波导的介电常数并且直接被安置在所述波导处。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述电绝缘屏蔽设备被布置，使得在所述电介质波导与所述屏蔽设备之间存在产生空间的距离。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述空间用绝缘介质来填充。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述空间用固体、液体或气体的绝缘介质来填充。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述空间用绝缘介质来填充，所述绝缘介质具有低于所述电介质波导的介电常数的介电常数。

8.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述波导由至少一个棒形体来构造。

9.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述波导由至少一个有棱角的和/或圆形的棒形体来构造。

10.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，在所述电介质波导的末端处在功能上连接所谓的波导结。

11.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，在所述电介质波导的末端处在功能上连接所谓的被配置为同轴电缆或微带导体的波导结。

12.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述电介质波导由具有>1的介电常数的材料构成。

13.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述电介质波导由具有>1的介电常数的氧化铝或特氟龙构成。