CN109844877A - 用于无接触感应能量传输的设备和用于该设备的操作方法 - Google Patents

用于无接触感应能量传输的设备和用于该设备的操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于从主级部分(1)到次级部分(1’)的无接触感应能量传输的设备，所述主级部分(1)和所述次级部分(1’)均具有可以穿过空气间隙(6)以感应方式与彼此耦合的至少一个线圈(10、10’)。所述设备的特征在于：所述主级部分(1)和所述次级部分(1’)在每种情况下包括用于穿过所述空气间隙(6)传输数据的数据传输单元(30、30’)。本发明还涉及一种用于这种设备的操作方法。

Description

用于无接触感应能量传输的设备和用于该设备的操作方法
技术领域
本发明涉及一种用于从主级部分到次级部分的无接触感应能量传输的设备，所述主级部分和所述次级部分均具有可以经由空气间隙以感应方式与彼此耦合的至少一个线圈。本发明还涉及一种关于用于从主级部分的线圈到次级部分的线圈的无接触感应能量传输的设备的操作方法。
背景技术
与经由机械式连接的或断连的接触元件传输能量的连接器相比，用于无接触能量传输的设备在由于高数量的配合周期或强振动所致的磨损方面有益。此外，当在电力负载下插入或拔出时，接触腐蚀得以防止。通过用于能量传输的无接触设备，当断连具有高电流负载的连接器时形成的电弧的危害也不出现。最后，例如，能量的无接触传输在主级部分与次级部分之间提供电气隔离(galvanic isolation)，这在医疗应用中可能是需要的。缺少机械式错综互锁接触也使得有可能设计具有尽可能平滑的表面的设备，其使得无接触能量传输设备适合于例如食品产业中的具有增加的清洁度和卫生要求的应用。
具体地说，高耐磨损性也使得无接触感应能量传输令自动化部门感兴趣，例如，用于将能量传输到机器人的可交换工具。
公开WO 2013/087676 A2描述一种用于从主级部分到次级的无接触感应能量传输的设备，其可以替代用于例如机器人的可交换工具的能量传输的机械连接器。主级部分和次级部分均具有可以通过感应方式耦合到主级部分和次级部分并且均与铁氧体磁芯相互作用的至少一个线圈。由于其磁导率，铁氧体磁芯增加磁通量，从而可以甚至通过小设备尺寸和小传输区域传输高电功率。
甚至当主级部分和次级部分(尚)未处于它们之间的距离为最小的位置中时，而是当它们之间存在间隙时，高磁通量也使得能量传输成为可能。在主级部分和次级部分的特定侧向偏移的情况下，即，如果主级部分和次级部分的线圈并非处于同一轴上，能量传输也可能发生。
发明内容
本发明的目的是扩展这种用于无接触能量传输的设备的应用可能性，尤其是在自动化中的使用。
所述目的通过具有独立权利要求的相应特征的设备或用于该设备的操作方法得以解决。在从属权利要求中指示所述设备和所述操作方法的有利配置和其他变体。
上述类型的本发明相关设备的特征在于这样的事实：主级部分和次级部分均具有用于经由空气间隙传输数据的数据传输单元。尤其是当用在工业环境中的自动化部门中时，除了例如用于机器人臂的可交换工具的供电电流之外，一般还需要数据连接。通过具有仅一个主级部分和一个次级部分的单个设备传输功率和数据两者简化了布置的设置和维护。
在所述设备的有利的配置中，经由空气间隙以光学方式传输数据。因此，选择在任何情况下都不干扰感应能量传输的数据传输通道。
数据传输单元优选地居中地布置，并且与所述线圈同心地布置。与仅用于功率传输的系统相比，线圈的中间的空间可以用于将数据传输单元集成到主级部分或次级部分中，而不增加它们的尺寸。
在所述设备的另一有利的配置中，数据传输单元均具有至少一个传输元件和至少一个接收元件。传输元件优选地居中地布置，并且被多个接收元件包围。
在所述设备的另一有利配置中，数据传输单元均具有一个导光元件。优选地，其基本上是圆柱形形状，并且具有面对传输元件或接收元件的第一光进入或出射表面以及面对空气间隙的第二光进入或出射表面。所述第一光进入或出射表面和/或所述第二光进入或出射表面的形状是平坦的、凹进的或凸出的。导光元件支持传输的效率，并且甚至在主级部分与次级部分之间存在侧向偏移和/或距离变化时使得传输成为可能。此外，线圈中心具有有限的安装空间。导光元件可以圆柱形，其直径使其贴合地配合到线圈的中心中。较大的安装空间于是关于传输元件和接收元件在线圈的外部是可用的。在设计方面，所述第一光进入和出射表面的形状是平坦的，并且第二光进入和出射表面的形状是凹进的，这对于补偿侧向偏移是特别有利的。
用于经由空气间隙从主级部分的线圈到次级部分的线圈的无接触感应能量传输的设备的操作方法的特征在于：在从主级部分到次级部分的感应能量传输期间，主级部分与次级部分之间的数据的光学传输借助于集成在主级部分和次级部分中的数据传输单元经由空气间隙而进行。所述传输优选地在半双工或全双工过程中是双向的。这样结合上述设备产生优点。
附图说明
下文将使用附图通过实施例示例更详细地解释本发明。附图示出：
图1为用于无接触能量传输的设备的截面图；
图2为图1在中所示的设备的另一截面图；
图3为无接触能量传输设备的数据传输单元的示意性侧视图；
图4为根据图3的数据传输单元的俯视图；
图5为无接触能量传输设备的数据传输单元的导光元件的不同配置；
图6为数据传输单元的替选配置的平面图；以及
图7为数据传输单元的示例性实施例的框图。
具体实施方式
图1示出根据应用的用于从主级部分1到次级部分1’的无接触能量传输的设备的示意性截面图。在图2中，沿着图1中显示的截面线A-A在截面中示出主级部分1。
分配给主级部分1的元件(以下又称为主级元件)在附图中具有没有撇号的附图标记。分配给次级部分1的元件(以下又称为次级元件)具有对应撇号的附图标记，由此为具有相同或相当功能的主级元件和次级元件提供具有相同数字的附图标记。如果下文并未明确指示主级侧或次级侧，则使用没有撇号的附图标记指示两侧。
主级部分1和次级部分1’均具有外壳2，其可以由常用于连接器外壳的材料(例如塑料、铝或不锈钢等)制成。外壳2是半壳体形状的，由此它们的前侧通过前面板3封闭。在背离前面板3的后部区域中，用于连接线路5的缆线入口4装配在外壳2中。连接线路5优选地是混合线路，其合并用于能量供应(包括待传输的能量)的连接线路以及数据线路。替代地，也可以在分离的线路中供应能量和数据。除了固定线路以外，连接器也可以被布置在外壳2上。
直接在前面板3之后，存在所布置的线圈10，其缠绕在铁氧体磁芯11上或缠绕在插入铁氧体磁芯11中的线圈主体上。线圈10可以与单个导体缠绕。然而，为了减少趋肤效应，优选地使用多磁芯高频李兹线。
在示例性实施例中，主级侧和次级侧上的铁氧体磁芯11是具有外部边沿12和相关同心的内部穹顶13的圆杯形磁芯。该磁芯又称为(圆柱对称)E-磁芯。考虑铁氧体磁芯11中的不同杂散磁场，外部边沿12和内部穹顶13的横截面优选地近似为相同大小，以实现均匀磁通量密度。使用具有不同几何形状的铁氧体磁芯也是可能的。例如，可以使用具有圆形或正方形或矩形铁氧体磁芯的正方形或矩形磁芯。也可以使用没有线圈主体的线圈，例如具有胶合在一起的导体。
铁氧体磁芯11在相应前面板3的一侧上是打开的，而在相对侧上，外部边沿12和内部穹顶13由杯形底部连接。线圈10插入外部边沿12与内部穹顶13之间的环形槽中。线圈10的外部边沿和内部边沿与铁氧体磁芯11之间的任何其余间隙可以用导热介质填充。
在操作期间，使得具有其前面板3、3’的主级部分1和次级部分1’靠近在一起，并且彼此面对，以用于无接触感应能量传输。在图1中形成空气间隙6的该距离绘制为传输距离zo。取决于尺寸，尤其是线圈10或铁氧体磁芯11的直径，可靠的传输距离zo的尺寸范围为0到几毫米或厘米。主级侧上沿着线圈10的轴的方向随后称为z方向，所分配的轴称为z轴。x和y方向或轴在前面板3的水平面垂直于此而延伸。
在操作期间，交变电流施加到主级侧上的线圈10(以下又称为主级线圈10)。主级线圈10和谐振电容器形成的谐振电路，其频率在从几千赫兹(kHz)到几百kHz的范围中，其中，几十kHz的范围中的频率是特别优选的。由逆变器提供施加到主级线圈10的交变电流。例如，脉冲宽度调制(PWM)方法可以用在逆变器中，以生成交变电压。连同监控和控制设备一起，逆变器位于主级部分1的外壳2内部的电路板20上。附图示出电路板20上的电子组件21的示例。为了保护逆变器抵抗由上述谐振电容器和主级线圈10形成的谐振电路上的振幅的谐振增加，以稍微过度谐振水平(即，在在谐振频率的频率以上)操作谐振电路。
在能量传输期间，由于铁氧体磁芯11和11’，主级线圈10与次级部分线圈10’(以下称为次级线圈10’)之间的磁耦合是特别有效的。在次级线圈10’中，电压得以感生，其在整流、电压转换以及电压稳定(若必要)之后在用于传递所传输的能量的连接缆线5’处转换为输出电压。次级侧上的电子组件也被布置在电路板20’上，在此单独电子组件21’借助于电路板20’再次作为示例示出。次级线圈可以有利地装配有中心抽头，从而可以使用同步整流器。
在主级部分1和次级部分1’二者中，导热元件(例如导热垫14)可以被布置在相应的铁氧体磁芯11与电路板20之间。尤其是在主级侧上，但也在次级侧上，电路板20上所布置的电子组件21代表传输路径中的损耗的来源。这些组件21产生的热量损耗经由导热垫14传送到铁氧体磁芯11。在操作期间，这样将铁氧体磁芯11加热到比在没有耦合到电路板20的热量的情况下的更高的操作温度。
如果使用适合于铁氧体磁芯11的铁氧体材料，则在宽频率和磁化范围上，铁氧体磁芯11中在较低温度的损耗比在较高温度更大。作为进入铁氧体磁芯11中的热量的上述电子组件的能量耗散的输入增加其温度并且因此降低再磁化过程所产生的铁氧体磁芯11中的能量耗散。这样改进传输系统的整体效率。该效应可以用在主级侧和次级侧两者上。同时，现有铁氧体磁芯11、11’由于热耦合而用作用于电子组件21、21’的热沉，这样实现节省附加材料和成本。除了导热垫14以外，例如，浇注配料也可以用以热耦合电路板20和铁氧体磁芯11。
在示例性实施例中，并未提供当结合在一起时将主级部分1和次级部分1’侧向对准到彼此的互锁引导或定位元件。由于缺少这些元件，也可以通过侧向移动(即x和/或y方向上的移动)使得主级部分1和次级部分1’进入操作位置中或彼此分离。这证明在自动化的领域中是特别有利的，因为无需主级部分和次级部分1、1’朝向彼此的附加轴向移动以建立或断连连接。然而，取决于意图的应用，在替选实施例中也可以提供这些引导或定位元件。
铁氧体磁芯11、11’允许高磁通量密度，其甚至在小线圈体积的情况下允许有效能量传输。传输针对主级部分1和次级部分1’距彼此的侧向位移是相对宽容的。这例如在自动化部门中是非常有利的，因为可以省去用于建立常规的基于接触的连接器的高定位精度。
根据本发明，用于无接触能量传输的设备的主级部分1和次级部分1’分别具有集成的数据传输单元30和30’，其在主级部分1与次级部分1’之间双向地传输(数字)数据。这说明，用于无接触能量传输的设备不仅可以对例如自动化组件供应电力而且还供应数据。用于无接触能量传输的设备因此以组合且无接触的方式例如对于可交换工具提供重要接口。
数据传输单元30或30’优选地是相同的，从而可以双向地传输数据，而无需优选的方向。通过数据传输单元30或30’中的每一个中的至少一个传输元件和至少一个接收元件，传输优选地是光学的。在示例性实施例中，数据传输单元30或30’(在x和y方向上)居中地布置，并且优选地在覆盖板3、3’的平面中布置有光进入或出射表面。
双向传输可以例如通过对于两个传输方向使用不同波长的光而发生在全双工过程中。即使通过相同波长用于两个传输方向，全双工过程可以例如在这两个传输方向上借助于不同地受调制的信号而得以执行。替代地，例如，通过使用具有用于两个传输方向的交替连续时隙的时分复用方法，双向传输在半双工方法中也是可能的。
图3示意性地示出沿着z方向的截面中的这种数据传输单元30。图4示出从z方向观察的数据传输单元30的平面图。
数据传输单元30具有载体板31，在其上居中地布置传输元件32。传输元件32被多个接收元件33(在此情况下，四个)侧向地包围。激光二极管或发光二极管可以优选地用作传输元件32。接收元件33优选地是光电二极管或光电晶体管。载体板31可以是用于所述元件的分离电路板或上述电路板20或20’上的部段，在其上还布置用于无接触能量传输的电子组件21、21’。
除了载体板31上所布置的电光元件之外，在主级部分1或次级部分1’中提供其他组件，以用于驱动传输元件32或用于估计接收元件33的信号。在测试中已经实现大于20兆比特每秒的数据传输速率，从而可以根据自动化技术中普遍使用的现场总线协议没有问题地传输数据。
在空气间隙6的方向上，圆柱对称导光元件34在传输元件或接收元件的前方轴向地被布置有传输元件32。导光元件34具有面对载体板31的第一光进入或出射表面35和面对空气间隙6的第二光进入或出射表面36。导光元件34由对所使用的光的波长透明的材料(优选地，塑料或石英材料)制成。直径优选的范围是从6mm到10mm。这足够小以配合到铁氧体磁芯11、11’的内部穹顶13、13’的区域中可用的安装空间中。另一方面，该尺寸足够大，以允许即使主级部分1或次级部分1’并未优化地定位或对准的情况下也数据传输。
在所示示例中，第一光进入和出射表面35是平面的，并且第二光进入和出射表面36是凹面的。这种组合产生对于主级部分1与次级部分1’之间的侧向偏移(即，在x和/或y方向上)和距离变化(在z方向上)特别宽容的传输。具体地，x和/或y方向上的0<z0<5mm的距离变化和-2mm到2mm的侧向移位并不导致数据传输速率明显变差。这也独立于从主级部分到次级部分11围绕z轴从的旋转并且对抗针对彼此上至+/-3°的倾斜。
图5示出均在沿着z轴显示的截面中的导光元件34的两种不同的可能配置。
上局部图再次示出导光元件34，其也示出在图3和图4中。
下部图示出导光元件34，其就其基本结构而言是类似的，但具有不同形状的光进入和出射表面35、36。具体地说，下部图中示出的导光元件34具有凸出的第一光进入和出射表面35和凹进的第二光进入和出射表面36。
以与图4相似的方式，图6在从z方向观察的平面图中示出数据传输单元30的替选实施例。如在图4中的示例性实施例中那样，传输元件32居中地被布置。相比于图4中的示例性实施例，不存在布置在传输元件32周围的多个接收元件33，而仅存在一个接收元件33。由于导光元件34的传输性质，即使主级部分1和次级部分1’并未相对于彼此精确地居中地定位(如果适用)且朝向彼此稍微倾斜，距传输元件32偏心地布置的接收元件33也是足够的。
图7示出说明数据传输单元30的功能的框图。虽然图3关注于数据传输的光学部分，但图7关注于数据传输的电子部分。
数据传输单元30的电子组件还优选地直接位于载体板31上以尽可能靠近发射机元件32或接收机元件33，以使得干扰最小化。
信号调节器40直接耦合到传输元件32或接收元件33。在接收支路中，其包括连接到接收元件30的放大器41，其输出经由滤波器42(具体地说，高通滤波器)馈送到比较器43。比较器43数字化先前的模拟信号，并且传输它，以用于进一步调节。
可选地，在滤波器42的输出处传递的信号馈送到峰值检测器44，其例如通过滑动浏览窗口确定信号高度的临时峰值，并且取决于所确定的峰值设置放大器41的增益。以此方式，水平调整得以实现，并且对接收到的信号的增益调整为优化值，从而在滤波器42的输出处，可得到具有恒定信号高度的可容易数字化的信号，这很大程度上独立于接收元件33处接收到的信号的质量。
关于传输通道，信号调节器40包括驱动器45，驱动器45控制传输元件32。
信号调节器40之前是信号调节组件46，信号调节组件46连接到接口组件47。接口组件47用于经由数据线路51耦合到数据网络50。
经由数据网络50(例如现场总线)到达数据传输单元30的数据由接口组件47接收。信号调节组件46生成合适的二进制数据帧，其然后经由信号调节器40和传输元件32得以输出。反之，从接收元件33接收到的信号在比较器43中转换为二进制信号，其然后经由信号调节组件46和接口组件47传输到数据网络50。
附图标记列表
1 主级部分
1’ 次级部分
2、2’ 外壳
3、3’ 覆盖板
4、4’ 缆线入口
5、5’ 连接缆线
6 空气间隙
10 主级线圈
10’ 主级线圈
11、11’ 铁氧体磁芯
12、12’ 外部边沿
13、13’ 内部穹顶
14、14’ 导热垫
20、20’ 电路板
21、21’ 电子组件
30 数据传输单元
31 载体板
32 传输元件
33 接收元件
34 导光元件
35 第一光进入和出射表面
36 第二光进入和出射表面
40 信号调节器
41 放大器
42 滤波器
43 比较器
44 峰值检测器
45 驱动器
46 信号调节组件
47 接口组件
50 数据网络
51 数据线路
x、y、z 笛卡尔坐标
z0 距离。

Claims (11)

1.一种用于从主级部分(1)到次级部分(1’)的无接触感应能量传输的设备，所述主级部分(1)和所述次级部分(1’)均具有能够经由空气间隙(6)以感应方式与彼此耦合的至少一个线圈(10、10’)，其特征在于，所述主级部分(1)和所述次级部分(1’)均具有用于经由所述空气间隙(6)传输数据的数据传输单元(30、30’)。
2.如权利要求1所述的设备，其中，经由所述空气间隙(6)的数据传输以光学方式进行。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述数据传输单元(30、30’)居中地布置，并且与所述线圈(10、10’)同心地布置。
4.如权利要求2或3所述的设备，其中，所述数据传输单元(30、30’)均具有至少一个传输元件(32)和至少一个接收元件(33)。
5.如权利要求4所述的设备，其中，在每个数据传输单元(30、30’)处提供有中心传输元件(32)，并且所述中心传输元件(32)被多个接收元件(33)包围。
6.如权利要求1至5中的一项所述的设备，其中，所述数据传输单元(30、30’)均具有导光元件(34)。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述导光元件(34)为大致的圆柱形形状，并且具有面对所述传输元件(32)或所述接收元件(33)的第一光进入或出射表面35以及面对所述空气间隙6的第二光进入或出射表面36。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一光进入或出射表面35和/或所述第二光进入或出射表面36的形状是平坦的、凹进的或凸出的。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一光进入和出射表面35的形状是平坦的，并且所述第二光进入和出射表面36的形状是凹进的。
10.一种用于经由空气间隙(6)从主级部分(1)的线圈(10)到次级部分(1’)的线圈(10’)的无接触感应能量传输的设备的操作方法，其特征在于，在从所述主级部分(1)到所述次级部分(1’)的感应能量传输期间，借助于集成在所述主级部分(1)和所述次级部分(1’)中的数据传输单元(30、30’)在所述主级部分(1)与所述次级部分(1’)之间进行数据的光学传输。
11.如权利要求10所述的操作方法，其中，数据传输在半双工或全双工过程中双向地进行。
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