CN117795575A - 用于在中空机器部件的区域中进行无线信号传输的电耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在至少部分中空的机器部件的腔(2)的区域中进行无线信号传输的电耦合装置，该电耦合装置包括在发送器端处的中空筒形耦合元件(3)，该中空筒形耦合元件装配到腔(2)中，连接至位于机器部件中或机器部件上的传感器(5)，并且经由腔内部的传输路径与接收器端处的销型耦合元件(4)通信，该销型耦合元件(4)至少部分突出到发送器端处的耦合元件(3)的位于腔(2)中的中空筒形部分中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在机器部件优选地传动装置或电动马达的区域中进行无线信号传输的电耦合装置。
本发明的应用领域主要扩展至汽车工程。特别地在混合动力车辆或电动车辆中，诸如电动马达、传动装置和传动轴的传动系部件通常受到基于传感器的状况监测。为此目的，在齿轮、轴承、耦合件等的区域中使用状况监测传感器，所述状况监测传感器主要测量部件温度，但是也测量振动、电压、扭矩、加速度、角度、速度、磁场强度等，以使它们可用于通常是外部的、用于信号评估的电子评估单元和/或发送器和/或接收器单元例如读取器，例如作为所谓的状况监测系统的一部分或者作为用于控制处理的控制参数。
传感器与电子评估单元之间的信号传输可以使用导线以抗干扰的方式进行，只要信号传输不发生在相对于彼此移动的部件特别是旋转部件之间。虽然确实存在电接触旋转馈通单元，但是由于机械滑动接触原理，电接触旋转馈通单元非常容易故障并且需要维护。另一方面，本发明致力于无线信号传输的主题，其可以例如经由无线电、红外线等来实现。另外，根据本发明的解决方案还可以用于其他传动系中例如风力涡轮机中。
背景技术
DE 10 2014 200 639 A1描述了用于确定传动装置特别是行星变速器的状况数据的系统，该系统包括具有传感器和RFID读取器的至少一个无源RFID传感器单元。此处仅一般提出的是，RFID读取器布置在第一传输部件上，并且RFID传感器单元布置在第二传输部件上，第二传输部件相对于第一传输部件可移动。这种无线信号传输需要不会因相邻部件或外部影响而受损的无干扰的无线电链路。
WO 2021 1004568A1公开了配备有用于形成传感器网络的若干状况监测传感器的电驱动机器、传动装置、内燃机及其组合。传感器网络中的传感器优选地布置在机器中的不同位置处并且各自被设计成测量物理变量。为此目的，各个传感器均无线地电连接至电子评估单元，该电子评估单元对从传感器无线接收到的信号进行处理。在规划传感器的布置时，此处还必须注意确保无线电链路不间断。
然而，在实践中，并不总是能够以下述方式将状况监测传感器集成到机器中，使得能够保证不间断的无线信号传输特别是在相对于彼此旋转的机器部件之间以及在深的、难以访问的机器结构中。
因此，本发明的目的是创建一种用于在机器部件区域中进行无线信号传输的电耦合装置，其使用简单的技术手段确保将传感器信号可靠地转发至外部的电子评估单元。
发明内容
该目的通过根据权利要求1所述的电耦合装置来实现。权利要求10将具有根据本发明的电耦合装置的传动装置或电动马达指定为优选应用。从属权利要求指向本发明的有利的进一步发展。
本发明并入以下技术教导：一种用于在至少部分中空的机器部件的腔的区域中进行无线信号传输的电耦合装置包括在发送器端处的中空筒形耦合元件，该中空筒形耦合元件装配到腔中，连接至布置在机器部件中或机器部件上的传感器，并且经由传输路径特别是作为电介质的空气路径或油与接收器端处的销型耦合元件通信，该销型耦合元件至少部分突出到发送器端处的耦合元件的布置在腔中的中空筒形部分中。在该上下文中，根据本发明的解决方案还包括发送器端和接收器端的互换。优选地，传感器发射信号，该信号经由耦合元件传输至发送器/接收器单元/评估单元。
换句话说，根据本发明的解决方案因此涉及一种用于其中信号在至少部分中空的机器部件内部传输的无线信号传输的电耦合装置。在这方面，可以经由突出到腔中的耦合元件来获取布置在机器部件上的若干传感器的传感器信号。若干传感器也可以连接至一个耦合元件。因此，根据本发明的解决方案特别地适于获取旋转部件上的传感器信号。
以特别有利的方式，根据本发明的解决方案因此可以用于例如对牵引马达的转子温度的无线检测。如果转子中的温度过高，磁体将消磁并且因此损坏电动马达。出于该原因，目前使用了更昂贵的磁性材料来抵消这样的消磁倾向。
然而，利用根据本发明的解决方案，可以直接在磁体处测量温度并且可以精确地控制最大允许温度。关于确定转子温度的另一好处在于电动马达扭矩的计算。电动马达的扭矩通常经由其中转子温度是重要影响变量的特性图来确定。借助于能够用无线温度传感器测量的转子温度，可以更准确地计算扭矩。还可以监测温度关键的传动部件特别是轴承的温度，并且按照需要对其进行冷却。因此，这减少了油的需求，并且因此减少了通常与压力油润滑相关联的飞溅损失。
根据本发明的解决方案使得可以例如通过实现传感器网络的方式几乎不费力地将许多温度传感器集成在电动马达或传动装置的任何点处，并且经由中央电子评估单元来检测其测量值并以特定于应用的方式对测量值进行处理。这使得能够实现最佳的系统控制。
根据本发明的优选实施方式，发送器端处的中空筒形耦合元件被设计为管形状或套筒形状。该元件可以被预制并插入到具有内壁触点的机器部件的同样优选为筒形的腔中，并且例如通过胶合附接至该腔。应当注意的是，在优选地由金属例如铜制成的中空筒形耦合元件与机器部件的通常也由导电材料优选地为钢制成的内壁之间需要绝缘层，并且该绝缘层例如可以由非导电的塑料制成。例如，绝缘层可以是预制的管形状或套筒形状的耦合元件的一部分，或者也可以被设计为单独的套筒形状的元件并且因此形成其外侧表面。这使得中空筒形耦合元件能够借助于粘合连接或类似方式固定在中空机器部件的腔中。除了这样的材料结合连接之外，也可以设想力配合连接例如通过压配合来连接。
根据传感器端处的中空筒形耦合元件的另一实施方式，该中空筒形耦合元件还可以被设计为膜或涂层。在膜的情况下，该中空筒形耦合元件具有施加至外部的电绝缘层。机器部件的腔可以容易地衬有这样的多层膜，其中，推荐粘合固定。另外，还可以设想的是，首先用电绝缘层例如塑料来涂覆机器部件的筒形腔，然后向其施加例如由金属制成的导电层。这可以例如通过真空中的气相沉积来实现。
另外，还可以设想的是，由电路板材料来形成中空筒形耦合元件，特别地作为柔性电路板或者由若干部分组成的电路板将适于该目的。
根据改进本发明的另一措施，提出了发送器端处的中空筒形耦合元件与接收器端处的销型耦合元件同轴布置。这使得能够实现特别高的信号质量，并且接收器端处的销型耦合元件以被特别好地保护的方式布置在机器部件的腔结构内。这适于机械考虑以及关于干扰信号的无线电通信两者。
为此目的，还提出了发送器端处的中空筒形耦合元件向前突出超过接收器端处的销型耦合元件的远端。优选地，在此处特别感兴趣的车辆应用中，销型耦合元件应当比中空筒形耦合元件短5mm至10mm。
为了进一步改善信号传输，提出了发送器端处的中空筒形耦合元件和/或接收器端处的销型耦合元件的长度为无线信号传输的工作频率的波长的倍数。该值可以例如根据四分之一、一半或四分之三的波长来选择。
接收器端处的销型耦合元件可以被设计为例如杆、管、套筒或螺旋件并且可以设置有非导电涂层，以避免例如由于无意的变形而与发送器端处的中空筒形耦合元件直接电接触。
在耦合元件的管或套筒形式的情况下，该耦合元件可以布置在连接至壳体的部件上。如果壳体连接的部件由金属材料制成，则管形状或套筒形状的耦合元件的内表面应当设置有绝缘层。例如，绝缘层可以是预制的管形状或套筒形状的耦合元件的一部分，或者也可以被设计为单独的套筒形状的元件并且因此形成其内侧表面。
根据改进本发明的另一措施，提出了可以设置围绕接收器端处的销型耦合元件并且相对于中空筒形耦合元件支承该销型耦合元件的非磁性和/或非电的轴承元件，以保护该销型耦合元件免受无意的变形。简单的塑料盘足以用于此目的，该塑料盘被胶合到中空筒形耦合元件的外边缘中，并且销型耦合元件通过该塑料盘的中央开口突出。
作为根据本发明的解决方案的一部分，无线信号传输可以基于SAW或RFID技术。优选地使用ISM频带13.5MHz、433MHz、868MHz、2.4GHz或5GHz或者其他标准无线电频带例如SDR频带作为工作频率。
根据应用的优选形式，至少部分中空的机器部件是风力涡轮机或机动车辆的传动系中的齿轮副或驱动轴的中空轴。在这方面，根据本发明的解决方案利用主要用于油馈通的该机器部件的腔结构，以便创建在信号传输方面被机械保护并且可靠的传感器连接。
优选地，机器部件可旋转地安装，并且读取器端处的耦合元件附接至固定的壳体。可以设置能量收集模块或类似物来向有源传感器供应电力。
如果读取器端处的耦合元件非常细且长，则可以对其进行加强或进行附加支持。其可以布置在壳体的内部或外部。
接收器端或发送器端处的耦合元件上的电解耦层或套筒也是有利的。耦合元件之间的电介质、空气或油特别地介电常数与耦合元件的长度有关。发送器端处的耦合元件与机器部件之间或者接收器端处的耦合元件与固定至壳体的部件之间的绝缘层也可以是电介质。绝缘层的该电介质或者特别地介电常数也可以与耦合元件的长度有关。
附图说明
下面使用附图结合本发明的优选示例性实施方式的描述来对改进本发明的另外的措施进行说明。在附图中：
图1示出了通过布置在中空轴上、具有经由根据本发明的第一示例性实施方式的电耦合装置连接的用于温度检测的传感器的齿轮副的示意性纵向截面；
图2示出了通过布置在中空轴上、具有经由根据本发明的第二示例性实施方式的电耦合装置连接的用于温度检测的传感器的齿轮副的示意性纵向截面；
图3示出了通过布置在中空轴上、具有经由根据本发明的第三示例性实施方式的电耦合装置连接的用于温度检测的传感器的齿轮副的示意性纵向截面；以及
图4示出了通过布置在中空轴上、具有经由根据本发明的第四示例性实施方式的电耦合装置连接的用于温度检测的传感器的齿轮副的示意性纵向截面。
具体实施方式
根据图1，承载齿轮副的中空轴1形成腔2，在该腔中容纳有中空筒形耦合元件3，并且该中空筒形耦合元件经由作为电介质的空气与销型耦合元件4相互作用以形成无线信号传输路径。
用于检测部件温度的传感器5布置在中空轴1外部的齿轮区域中，该传感器经由用作电介质的塑料层6电连接至发送器端处的中空筒形耦合元件3。与其通信的接收器端处的销型耦合元件4的大部分突出到发送器端处的耦合元件3的布置在腔2中的中空筒形部分中。在这方面，发送器端处的中空筒形耦合元件3向前突出超过接收器端处的销型耦合元件4的远端长度a。销型耦合元件4与中空筒形耦合元件3同轴布置。
在该示例性实施方式中，销型耦合元件4被设计为由导电材料构成的杆。
根据图2，发送器端处的中空筒形耦合元件3'被设计为膜，其在外部侧表面上设置有电绝缘塑料涂层。另外，传感器5被容纳在绝缘传感器保护盖7中，传感器5经由该绝缘传感器保护盖被压入到机器部件中的相应孔中。在其他方面，该示例性实施方式对应于上述的示例性实施方式。
在图3中，与开始描述的示例性实施方式相反，接收器端处的销型耦合元件4'被设计为管的形式，使得该销型耦合元件4'具有中空波导特性，以用于改善信号传输。在其他方面，该示例性实施方式也对应于开始描述的示例性实施方式。
根据图4，在销型耦合元件4与同轴地围绕该销型耦合元件的中空筒形耦合元件3之间的中间区域中布置有轴承元件8。轴承元件8由非磁性和非电的塑料制成并且用于支承在该示例性实施方式中相当细的销型耦合元件4，以确保其期望的位置，即使在中空轴1快速旋转时也是如此。在其他方面，该示例性实施方式也对应于开始描述的示例性实施方式。
本发明不限于上面更详细描述的优选示例性实施方式。相反，还能够想到与上述优选示例性实施方式的偏差，所述偏差包括在以下权利要求的保护范围内。例如，也可以使用另一至少部分中空的机器部件的腔来代替中空轴，以容纳根据本发明的电耦合装置。
附图标记列表
1 中空轴
2 腔
3 中空筒形耦合元件
4 销型耦合元件
5 传感器
6 电介质
7 传感器保护盖
8 轴承元件
a 凹入长度。
Claims (10)
1.一种用于在至少部分中空的机器部件的腔(2)的区域中进行无线信号传输的电耦合装置，所述电耦合装置包括在发送器端处的中空筒形耦合元件(3)，所述中空筒形耦合元件装配到所述腔(2)中，连接至布置在所述机器部件中或所述机器部件上的至少一个传感器(5)，并且经由所述腔内部的传输路径与接收器端处的销型耦合元件(4)通信，所述销型耦合元件至少部分突出到所述发送器端处的所述耦合元件(3)的布置在所述腔(2)中的中空筒形部分中。
2.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述发送器端处的所述耦合元件(3)被设计为管形状或套筒形状。
3.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述发送器端处的所述耦合元件(3)被设计为膜或涂层。
4.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述发送器端处的所述耦合元件(3)与所述接收器端处的所述销型耦合元件(4)同轴布置。
5.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述发送器端处的所述耦合元件(3)向前突出超过所述接收器端处的所述耦合元件(4)的远端。
6.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述发送器端处的所述中空筒形耦合元件(3)和/或所述接收器端处的所述销型耦合元件(4)的长度为信号传输的工作频率的波长的倍数。
7.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述接收器端处的所述销型耦合元件(4)被设计为杆、管、套筒或螺旋件。
8.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，所述接收器端处的所述销型耦合元件(4)通过至少一个非磁性和/或非电的轴承元件(8)相对于所述机器部件被支承或电解耦。
9.根据权利要求1所述的电耦合装置，
其特征在于，具有所述腔(2)的所述机器部件被设计为风力涡轮机或机动车辆的传动系中的中空轴(1)。
10.一种混合动力车辆或电动车辆的传动装置和/或电动马达，其具有根据前述权利要求中任一项所述的用于在至少部分中空的机器部件的腔(2)的区域中进行无线信号传输的电耦合装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |