DE10020949A1 - Kontaktloser Transformator sowie eine mit diesem Transformator ausgestattete Fahrzeug-Signalrelaisanordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kontaktlosen Transformator, der eine vereinfachte Montage erlaubt, bei dem während der Betätigung des Lenkrads weder ein Geräusch durch ein Aneinanderreiben von Drähten noch ein Widerstand auftritt, der eine erhöhte Übertragungseffizienz bietet und der aufgrund einer Minimierung des bei der Herstellung eines Kerns auftretenden Verformungen einfach zu erzeugen ist. Ein erfindungsgemäßer kontaktloser Transformator umfaßt zwei scheibenförmige, jeweils wenigstens eine konzentrische und eine radiale Nut (21) aufweisende Magnetkerne (19) und eine magnetische Hülle (25), die eine zylindrische Form oder eine Topfform mit einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche besitzt. Die beiden Magnetkerne liegen einander mit einem bestimmten Abstand in einem von der magnetischen Hülle begrenzten Raum gegenüber. Eine aus Draht bestehende Wicklung (23) ist in der wenigstens einen konzentrischen Nut angeordnet. Jeder Magnetkern besteht aus einer scheibenförmig angeordneten Kombination einer Vielzahl fächerförmiger Teilkerne (27).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl kontaktlose Transformatoren und dabei insbesondere kontaktlose Transformatoren, die jeweils rund um die Lenkspindel des Lenkradbereichs eines vierrädrigen Kraftfahrzeugs angeordnet sind und der Stromzuführung und Signalüber­ tragung im Betätigungshebelbereich dienen, als auch eine Fahrzeug-Signalrelaisanordnung, bei der ein derar­ tiger kontaktloser Transformator zum Einsatz kommt.

Heutzutage finden sich Automobile in allen Teilen der Welt, und es gibt viele verschiedene Typen von Kraft­ fahrzeugen, die mit Klimaanlagen und Fahrzeugsteuerge­ räten ausgerüstet sind. Die Bedienungssysteme der mei­ sten in derartigen Anordnungen vorgesehenen elektri­ schen Systeme befinden sich nahe dem Armaturenbrett und der Lenkradbasis, weshalb der Fahrer zur Betätigung dieser elektrischen Systeme zumindest zeitweise eine Hand vom Lenkrad nehmen muß, was zu einem versehentli­ chen Bewegen des Lenkrads und dabei möglicherweise zu einem schweren Unfall bei Hochgeschwindigkeitsfahrten etc. führen kann.

Um das genannte Problem zu vermeiden, werden immer mehr vierrädrigre Kraftfahrzeuge mit erhöhtem Sicherheits­ standard angeboten, bei denen die Kontrollschalter elektrischer Systeme im Bereich des Lenkrads angeordnet sind und der Fahrer daher auch während der Betätigung der Schalter die Hände nicht mehr vom Lenkrad nehmen muß. In diesem Fall erfolgt der Spannungsaustausch mit dem Bedienungssystem im Lenkradbereich durch Drähte, wobei zur Vermeidung einer Verbindungsunterbrechung durch eine Drehbewegung des Lenkrads biegsame, elasti­ sche Drähte zum Einsatz kommen.

Das Anbringen der biegsamen Drähte bei den genannten verdrahteten elektrischen Systemen ist jedoch sehr ar­ beitsintensiv, weil die Drähte an neutralen Stellen an­ geordnet sein müssen, um eine gleichmäßige Drehbetäti­ gung des Lenkrads nach links und rechts zu ermöglichen.

Da die Drähte während der Betätigung des Lenkrads ge­ geneinanderreiben, besitzen sie zudem nur eine kurze Lebensdauer. Darüber hinaus sind einige Benutzer auch der Ansicht, daß das Geräusch der aneinanderreibenden Drähte und der geringfügige, während der Lenkbewegungen auftretende Widerstand zu einer Beeinträchtigung des Fahrkomforts führen.

Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen, anstelle einer verdrahteten Stromzuführung und Signal­ übertragung ein auf elektromagnetischer Induktion ba­ sierendes System unter Verwendung eines kontaktlosen Transformators mit Ferritkern einzusetzen. Die Herstel­ lung eines solchen elektrischen Systems war jedoch bis­ her problematisch, weil relativ große Kerne verwendet wurden, die aufgrund ihrer Größe während des Sinterns Verformungen unterworfen waren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, einen kontaktlosen Transformator zu beschrei­ ben, bei dem die Montage erleichtert wird und während der Betätigung des Lenkrads weder ein Reibungsgeräusch zwischen Drähten noch ein Widerstand auftritt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen kontaktlosen Transformator zu beschreiben, der eine Erhöhung der Übertragungseffizienz ermöglicht und zugleich einfach herzustellen ist, da bei ihm ein Kern zum Einsatz kommt, bei dessen Erzeugung nur eine minimale Verformung auftritt.

Darüber hinaus ist es auch Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, einen kontaktlosen Transformator zu beschrei­ ben, bei dem während der Montage keine Sprünge oder ähnliche Probleme auftreten und bei dem somit die Mon­ tagearbeit stark erleichtert wird.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kontaktlosen Transformator zu beschreiben, bei dem negative Einwirkungen externer Störwellen auf die Signalübertragung verhindert werden und der hierdurch eine sehr zuverlässige Signalübertragung bietet.

Schließlich ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Fahrzeug-Signalrelaisanordnung zu beschrei­ ben, bei der eine der genannten erfindungsgemäßen kon­ taktlosen Transformatorausführungen in einem Lenkradbe­ reich angeordnet ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Fahrzeug-Signalrelaisanordnung vorgesehen, bei der zur Übertragung eines elektrischen Signals bzw. eines elektrischen Stroms ein kontaktloser Transforma­ tor in einem Lenkradbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist. Der kontaktlose Transformator besteht dabei aus einer Drahtwicklung, zwei scheibenförmigen Magnetker­ nen, die jeweils wenigstens eine konzentrische Nut auf­ weisen, in der die Wicklung angeordnet ist, und wenig­ stens einer magnetischen Hülle, die zumindest Außenum­ fangsbereiche der beiden Magnetkerne abdeckt. Bei die­ sem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegen sich die beiden Magnetkerne mit einem bestimmten Abstand gegen­ über, wobei zwischen ihnen ein von der magnetischen Hülle umschlossener Spalt verbleibt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein kontaktloser Transformator vorgesehen, der eine Drahtwicklung, zwei scheibenförmigen Magnetkerne, die jeweils wenigstens eine konzentrische Nut aufwei­ sen, in der die Wicklung angeordnet ist, und wenigstens eine magnetische Hülle umfaßt, die zumindest Außenum­ fangsbereiche der beiden Magnetkerne abdeckt, wobei sich die beiden Magnetkerne mit einem bestimmten Ab­ stand gegenüberliegen und zwischen ihnen ein von der magnetischen Hülle umschlossener Spalt verbleibt.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Be­ zugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Perspektivansicht zur Darstellung der Anordnung eines herkömmlichen verdrahteten elektrischen Systems;

Fig. 2A eine entlang der Linie IIA-IIA in Fig. 2B teilweise geschnittene Ansicht eines kontakt­ losen Transformators, der eine erste erfin­ dungsgemäße Grundstruktur bildet;

Fig. 2B eine seitliche Schnittansicht entlang der Li­ nie IIB-IIB in Fig. 2A;

Fig. 3A eine entlang der Linie IIIA-IIIa in Fig. 3B teilweise geschnittene Ansicht eines speziel­ len kontaktlosen Transformators, der auf der ersten Grundstruktur gemäß den Fig. 2A und 2B basiert;

Fig. 3B eine Schnittansicht entlang der Linie IIIB- IIIB in Fig. 3A;

Fig. 4A eine entlang der Linie IVA-IVA in Fig. 4B teilweise geschnittene Ansicht eines kontakt­ losen Transformators, der eine zweite erfin­ dungsgemäße Grundstruktur bildet;

Fig. 4B eine Schnittansicht entlang der Linie IVB-IVB in Fig. 4A;

Fig. 5A eine entlang der Linie VA-VA in Fig. 5B teil­ weise geschnittene Ansicht eines speziellen kontaktlosen Transformators, der auf der zweiten Grundstruktur gemäß den Fig. 4A und 4B basiert;

Fig. 5B eine Schnittansicht entlang der Linie VB-VB in Fig. 5A;

Fig. 6A eine entlang der Linie VIA-VIA in Fig. 6B teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren speziellen kontaktlosen Transformators, der auf der zweiten Grundstruktur gemäß den Fig. 4A und 4B basiert; und

Fig. 6B eine Schnittansicht entlang der Linie VIB-VIB in Fig. 6A.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun zuerst unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein herkömm­ liches verdrahtetes elektrisches System beschrieben, ehe auf erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele näher eingegangen wird.

Wie sich Fig. 1 entnehmen läßt, weist ein verdrahtetes elektrisches System 11 ein eine Vielzahl von parallelen Drähten umfassendes flaches Kabel 13 auf, das rund ge­ bogen ist, so daß durch eine Drehung des Lenkrads keine Spannung in den Drähten auftritt und somit eine Unter­ brechung der durch die Drähte hergestellten Verbindung verhindert wird. Die Bezugsziffer 15 bezeichnet hier flache Kabelbefestigungselektroden.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Be­ zugnahme auf die Fig. 2A und 2B bis 6 näher erläutert.

Wie sich den Fig. 2A und 2B entnehmen läßt, umfaßt ein eine erste Grundstruktur bildender kontaktloser Trans­ formator 17 ein Paar von scheiben- bzw. ringförmigen Kernen 19, die einander so gegenüberliegen, daß zwi­ schen ihnen ein Spalt verbleibt, ein Durchgangsloch 29, durch das sich ein Betätigungshebel eines Automobils erstrecken kann, kreisförmige Drähte (oder Wicklungen) 23, die in konzentrisch in den Kernen 19 verlaufenden und in Fig. 2A nur teilweise gezeigten Nuten 21 angeord­ net sind, sowie eine am Außenumfang angeordnete magne­ tische Hülle 25. Nach außen führende bzw. radial ver­ laufende Nuten 22 sind so in radialer Richtung angeord­ net, daß sie Endbereiche 23e der in den Nuten 21 pla­ zierten Wicklungen 23 nach außen führen. Jeder Kern 19 besteht aus einer Kombination von fächerförmigen Teil­ kernen 27 und besitzt die Form einer Scheibe bzw. eines Rings, die bzw. der in der Mitte ein Loch aufweist.

Während beim Stand der Technik jeder scheibenförmige Kern einstückig ausgebildet ist, wird bei der ersten erfindungsgemäßen Grundstruktur jeder Kern 19 durch eine Kombination der fächerförmigen Teilkerne 27 gebil­ det. Die geringe Größe der Teilkerne 27 löst das Pro­ blem der während des Sinterns auftretenden Verformung.

Da nämlich, wie bereits beschrieben, bei der ersten er­ findungsgemäßen Grundstruktur jeder scheibenförmige Kern 19 eine Kombination aus fächerförmigen Teilkernen 27 darstellt und somit nur kleine Kerneinheiten Verwen­ dung finden, läßt sich der Umfang der durch Material­ spannungen hervorgerufenen Verformungen beim Sintern auf ein zulässiges Maß reduzieren.

Zum Anbringen eines kontaktlosen Transformators 17, der jeweils Kerne 19 enthält, die eine Kombination aus Teilkernen 27 darstellen, werden einfach die scheiben­ förmigen Kerne 19 geformt und zusammen mit den (aus leitfähigem Draht bestehenden) Wicklungen 23 so mon­ tiert, daß sich die Kerne 19 gegenüberliegen. Die Mon­ tagearbeit läßt sich somit im Vergleich zur Anbringung der herkömmlichen verdrahteten elektrischen Signalre­ laisanordnungen vereinfachen.

Da das der Karosserie zugewandte elektrische System und das dem Lenkrad zugewandte elektrische System jeweils auf einer anderen Seite der Grenze zwischen den Kernen 19 angeordnet sind und daher mechanisch nicht miteinan­ der in Verbindung stehen, kommt es weder zu einer Ge­ räuschentwicklung durch ein Aneinanderreiben der Drähte noch zu einem Widerstand während der Betätigung des Lenkrads.

Da zudem am Außen- und/oder am Innenumfang der einander gegenüberliegenden Kerne 19 eine zylindrisch bzw. topf­ förmig ausgebildete magnetische Hülle 25 angebracht ist, wird ein Magnetfluß-Leck nach außen eingedämmt und die Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwick­ lung verbessert, was die Übertragungseffizienz erhöht. Da die magnetische Hülle 25 auch als magnetischer Schirm wirkt, der verhindert, daß ein durch externe Störwellen hervorgerufener Magnetfluß quer zu den Wick­ lungen 23 verläuft, ist die Signalübertragung hier auch weniger anfällig für den negativen Einfluß externer Störwellen.

Im folgenden wird ein spezieller kontaktloser Transfor­ mator beschrieben, der auf der ersten erfindungsgemäßen Grundstruktur basiert.

Wie sich den Fig. 3A und 3B entnehmen läßt, besteht die­ ser Transformator 31 aus Wicklungen 23, ringförmigen Kernen 19, einer magnetischen Hülle 33 aus magnetischem Stahlblech, und einem Halteelement 35, das durch ein oberes und ein unteres Halteelementteil 35a und 35b ge­ bildet wird. Auch wenn sich dies Fig. 3A nicht im ein­ zelnen entnehmen läßt, ist doch jede Wicklung 23 kreis­ förmig gestaltet. Jeder ringförmige Kern 19 weist einen Außendurchmesser von 75 mm und einen Innendurchmesser von 48 mm sowie eine Dicke von 3 mm auf und wird durch eine Kombination vierer Ferritteilkerne 27 gebildet. Jeder Ferritteilkern 27 besitzt konzentrische Nuten 37 (37a bis 37d) und radiale Nuten 38 (38e, 38f, 38g, . . .). Die konzentrischen Nuten 37 weisen eine Tiefe auf, die im wesentlichen der Höhe der Wicklungen 23 entspricht, während die radialen Nuten 38 zum Hinausführen der End­ bereiche 23e der Wicklungen 23 eine Tiefe besitzen, die im wesentlichen dem Durchmesser aller die Wicklungen 23 bildenden Drähte entspricht. Die magnetische Hülle 33 besteht aus einem magnetischen Stahlblech. Das obere Halteelementteil 35a haltert den ringförmigen Kern 19 und die magnetische Hülle 33, während das untere Halte­ elementteil 35b nur den ringförmigen Kern 19 haltert. Die Kerne 19 bestehen aus einem Ferrit vom Mn-Zn-Typ mit einer Zusammensetzung von 52,7 mol% Fe₂O₃, 39,3 mol% MnO und 8,0 mol% ZnO. Die magnetische Hülle 33 ist topfförmig gestaltet. Zu ihrer Herstellung wird ein durch Blechbearbeitungsvorgänge und Schweißen aus einer magnetischen Stahlplatte mit einer Dicke von 1 mm und einer Breite von 10 mm erzeugter Zylinder mit einem In­ nendurchmesser von 77 mm mit einer aus demselben Mate­ rial gefertigten Scheibe mit einem Außendurchmesser von 79 mm, einem Innendurchmesser von 60 mm und einer Dicke von 1 mm verschweißt. Die magnetische Hülle 33 wird mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Haftmittels an den Ferritkernen 19 und dem Halteelement 35 befestigt. Die Wicklungen 23 werden einzeln in entsprechenden Nuten 37 angeordnet und mit (nicht dargestellten) Haftmitteln an den Ferritkernen 19 befestigt. Der Durchmesser des mit­ tigen Durchgangslochs 39 ist in den Fig. 3A und 3B klei­ ner dargestellt, als dies der Realität entspricht.

Beim Transformator 31 dient die in der innersten Nut 37a der vier konzentrischen Nuten 37a bis 37d angeord­ nete Wicklung 23a der Stromzuführung, während die ande­ ren Wicklungen 23b bis 23d der Signalübertragung die­ nen. Die Übertragungseffizienz des kontaktlosen Trans­ formators 31 wird in der folgenden Weise gemessen. Als Eingangssignal (12 V/15 W) wurde eine durch einen Funktionsgenerator erzeugte Sinuswelle mit einer Fre­ quenz von 125 kHz verwendet. Das Ausgangssignal wurde mit Hilfe eines Spektralanalysators gemessen, wobei man eine Ausgangsleistung von 7 W erhielt.

Wurde dieselbe Messung bei abgenommener magnetischer Hülle 33 durchgeführt, so betrug die Ausgangsleistung nur 4 W.

Die Position der Stromanschluß-Wicklung kann auch von der oben beschriebenen abweichen; so kann diese Wick­ lung beispielsweise auch in der äußersten oder der zweitäußersten Nut angeordnet sein. Zudem ist die Zahl der in jedem Kern 19 vorgesehenen Nuten auch nicht auf vier beschränkt und die magnetische Hülle 33 muß nicht unbedingt topfförmig gestaltet sein; vielmehr kann bei­ spielsweise auch eine zylindrische magnetische Hülle 33 am Außen- und/oder Innenumfang der einander gegenüber­ liegenden Kerne 19 vorgesehen werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B ein eine zweite erfindungsgemäße Grundstruktur bil­ dender kontaktloser Transformator beschrieben.

Der in den Fig. 4A und 4B gezeigte, die zweite Grund­ struktur bildende kontaktlose Transformator 41 umfaßt ein Paar scheiben- oder ringförmiger Kerne 43, Wicklun­ gen 23, eine magnetische Hülle 33 und eine magnetische Hülle 47. Die beiden scheibenförmigen Kerne 43 liegen einander so gegenüber, daß zwischen ihnen ein Spalt verbleibt. In den scheibenförmigen Kernen 43 sind in den einander gegenüberliegenden Oberflächen konzentri­ sche Nuten 45 ausgebildet, deren Tiefe in etwa der Höhe der Wicklungen 23 entspricht. Radialnuten 46 (46e, 46f) weisen eine größere Tiefe auf als die jeweiligen kon­ zentrischen Nuten 45, wobei ihre Tiefe in etwa dem Durchmesser aller die Wicklungen 23 bildenden Drähte entspricht. Obwohl sich dies der Fig. 4A nicht in allen Einzelheiten entnehmen läßt, besitzen die Wicklungen 23 eine Kreisform und sind in den entsprechenden konzen­ trischen Nuten 45 angeordnet. Die Endbereiche 23e der Wicklungen 23 werden durch die Radialnuten 46, bei­ spielsweise 46e, 46f und 46g, nach außen geführt. Die magnetische Hülle 33 weist eine zylindrische Außenober­ fläche und einen konkaven Querschnitt auf, während die magnetische Hülle 47 eine zylindrische Innenoberfläche und einen konvexen Querschnitt besitzt. In den Darstel­ lungen der Fig. 4A und 4B ist der Durchmesser eines mit­ tigen Durchgangslochs 49 kleiner dargestellt, als dies der Realität entspricht.

Während die scheibenförmigen Kerne üblicherweise aus Ferrit bestehen, werden bei der zweiten erfindungsgemä­ ßen Grundstruktur die Kerne 43 aus einem magnetischen Metallmaterial hergestellt, dessen Permeabilität größer ist als die des Ferritmaterials oder diesem zumindest entspricht. Indem die Kerne 43 aus einem magnetischen Metallmaterial hergestellt werden, werden die bei Fer­ ritkernen auftretenden Probleme, d. h. das Springen und die Verformung beim Sintern, gelöst, wobei sich die Ei­ genschaften der Kerne 43 - mit Ausnahme des Hysterese- und des Wirbelstromverlusts - nicht ändern.

Darüber hinaus ist es hier auch möglich, die Kerne 43 integral mit den magnetischen Hüllen 33 und 47 auszu­ bilden. In diesem Fall kommt es zu einem gleichmäßige­ ren Magnetfluß zwischen den Kernen 43 und den Hüllen 33 und 47, wodurch die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen 23 verbessert wird und sich somit auch bes­ sere Eigenschaften erzielen lassen.

Als Material der Kerne für die zweite erfindungsgemäße Grundstruktur werden magnetische Metallmaterialien ein­ gesetzt, die eine höhere Biegsamkeit und Verformbarkeit aufweisen als die zu Sinterbauteilen geformten Ferrit­ materialien, so daß diese Metallmaterialien weniger leicht durch voh außen wirkende Spannungen beschädigt werden, als dies bei Ferritmaterial der Fall ist. Da sich diese magnetischen Metallmaterialien durch äußere Kräfte verformen lassen, werden die durch das Auftreten von Sprüngen und Verformungen hervorgerufenen Probleme gelöst, wenn die Kerne 43 des kontaktlosen Transforma­ tors 41 aus einem magnetischen Metallmaterial herge­ stellt sind, dessen Permeabilität größer ist als die von Ferritmaterialien bzw. dieser zumindest entspricht.

Durch Verwendung der magnetischen Hüllen 33 und 47, die eine Zylinderform oder eine Topfform mit einem Loch in der Mitte der Bodenfläche aufweisen, wobei die Hüllen mit der Bodenfläche und/oder dem Außenumfang und/oder dem Innenumfang der einander gegenüberliegenden Kerne 43 in Kontakt stehen, bzw. durch Ausbilden der magneti­ schen Hüllen 33 und 47 integral mit den einander gegen­ überliegenden Kernen 43, wird das Entweichen des Ma­ gnetflusses nach außen reduziert und somit die Kopplung zwischen den Primärwicklungen und den Sekundärwicklun­ gen verbessert, wodurch sich auch die Übertragungseffi­ zienz erhöhen läßt.

Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5A und 5B ein auf der zweiten erfindungsgemäßen Grund­ struktur basierender kontaktloser Transformator be­ schrieben.

Wie sich den Fig. 5A und 5B entnehmen läßt, besteht der Transformator 51 aus (in Fig. 5A nur teilweise darge­ stellten) kreisförmigen Wicklungen 23, ringförmigen Kernen 43, magnetischen Hüllen 33 und 47 und einem Hal­ teelement 35. Jede Wicklung 23 umfaßt dreißig Windungen eines isolierbeschichteten leitfähigen Drahts, bei­ spielsweise eines mit Polyvinylformal beschichteten Kupferdrahts mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Jeder ringförmige Kern 43 wird durch Stanzen aus einem 45%igen Ni-Fe-Magnetstahlblech hergestellt, besitzt einen Außendurchmesser von 75 mm, einen Innendurchmesser von 48 mm und eine Dicke von 2 mm und weist konzentrische Nuten 55 und radiale Nuten 56e, 56f und 56g auf. Die konzentrischen Nuten 55 (55a, 55b, 55c, 55d) sind so ausgeformt, daß sie die Wicklungen 23 aufnehmen können. Die radialen Nuten 56e, 56f, 56g, . . . weisen eine grö­ ßere Tiefe auf als die konzentrischen Nuten 55, wobei ihre Tiefe dem Durchmesser aller Drähte der Wicklungen entspricht und die Endbereiche 23e der Wicklungen 23 durch diese Nuten nach außen geführt werden. Die magne­ tischen Hüllen 33 und 47 besitzen eine Dicke von 1 mm und eine Breite von 10 mm und bestehen aus demselben Magnetstahlblech wie die Kerne 43. Das Halteelement 35 haltert die Kerne 43 sowie die magnetischen Hüllen 33 und 47.

Obwohl sich dies Fig. 5 nicht entnehmen läßt, weisen die Unterseiten der Kerne 43 aufgrund der Druckbearbeitung eine Wellenform mit einer Amplitude von etwa 0,5 mm auf.

Die magnetischen Hüllen 33 und 47 sind an den Kernen 43 mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Haftmittels und des Halteelements 35 befestigt. Die eine magnetische Hülle 33 besitzt einen konkaven Querschnitt, während die andere magnetische Hülle 47 einen konvexen Quer­ schnitt aufweist. Die beiden magnetischen Hüllen 33 und 47 sind so angeordnet, daß sie die Kerne 43 umgeben. Der Durchmesser des mittigen Durchgangslochs 57 ist in Fig. 5 kleiner dargestellt, als es der Realität ent­ spricht.

Die Wicklungen 23 sind jeweils in entsprechenden Nuten 55 angeordnet und an den Kernen 43 durch ein Haftmittel befestigt. Beim Transformator 51 befindet sich die Wicklung 23a in der innersten Nut 55a der vier konzen­ trischen Nuten 55a bis 55d und dient der Stromzufüh­ rung, während die anderen Wicklungen 23b bis 23d der Signalübertragung dienen. Die Übertragungseffizienz des kontaktlosen Transformators 51 wurde unter Verwendung eines Eingangssignals (12 V/15 W) in Form einer durch einen Funktionsgenerator erzeugten Sinuswelle mit einer Frequenz von 25 kHz gemessen. Das Ausgangssignal wurde mit einem Spektralanalysator gemessen, wobei eine Aus­ gangsleistung von 7,3 W erzielt wurde.

Wurde dieselbe Messung bei abgenommenen magnetischen Hüllen 33 und 47 durchgeführt, so betrug die Ausgangs­ leistung nur 3,9 W.

Darüber hinaus wurden entsprechende Messungen durchge­ führt, nachdem die Kerne 43 durch Kerne aus einem Fer­ ritmaterial des Mn-Zn-Ferrit-Typs mit einer Zusammen­ setzung aus 57 mol% Fe₂O₃, 39,3 mol% MnO und 8,0 mol% ZnO ersetzt wurden. Dabei wurde bei Einsatz der magne­ tischen Hüllen 33 und 47 eine Ausgangsleistung von 7,0 W und bei Verzicht auf die magnetischen Hüllen 33 und 47 eine Ausgangsleistung von 4,0 W erzielt.

Die Position der Stromanschluß-Wicklung kann auch von der oben beschriebenen abweichen; so kann diese Wick­ lung beispielsweise auch in der äußersten oder der zweitäußersten Nut angeordnet sein. Außerdem ist auch die Zahl der in jedem Kern 43 vorgesehenen Nuten 55 nicht auf vier beschränkt und die Form der Unterseite der jeweiligen Kerne 43 kann von der beschriebenen Form abweichen.

Die magnetischen Hüllen 33 und 47 müssen ebenfalls nicht unbedingt topfförmig gestaltet sein; so kann bei­ spielsweise eine zylindrische magnetische Hülle 33 am Außen- und/oder am Innenumfang der einander gegenüber­ liegenden Kerne 43 vorgesehen werden.

Auch das für die Kerne verwendete Material muß nicht dem beschriebenen Material entsprechen; vielmehr können auch andere Materialien, etwa ein Eisenmetall oder eine Co-Fe-Legierung Verwendung finden, solange die jewei­ lige relative Permeabilität zumindest der des Ferrits entspricht, wobei das Ferritmaterial des Mn-Zn-Typs mit der Zusammensetzung von 52,7 mol% Fe₂O₃, 39,3 mol% MnO und 8,0 mol% ZnO eine relative Permeabilität von etwa 5.000 aufweist. Die meisten magnetischen Metallmateria­ lien, beispielsweise des Fe-, Ni-Fe- und Co-Fe-Typs weisen höhere relative Permeabilitätswerte (< 8.000) auf.

Messungen entsprechend der obigen Beschreibung wurden auch unter Verwendung von magnetischen Hüllen 33 und 47 durchgeführt, die aus einem Material mit geringer rela­ tiver Permeabilität bestanden, das durch Vermahlen ei­ ner 30%igen Ni-Fe-Legierung zu Partikeln mit einer Größe von etwa 150 µm und Mischen dieser Partikel mit einem Epoxidharz gewonnen wurde. Die Ausgangsleistung lag dabei bei wenigstens 7,0 W. Eine auf dem Niveau der Ausgangsleistung bei Verwendung der erwähnten Ferrit­ kerne des Mn-Zn-Typs liegende Ausgangsleistung wurde hier im übrigen selbst dann erreicht, wenn die relative Permeabilität des Hüllenmaterials auf etwa 1.100 ver­ ringert wurde.

Im folgenden wird ein weiterer auf der zweiten erfin­ dungsgemäßen Grundstruktur basierender kontaktloser Transformator unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B beschrieben.

Bei dem in den Fig. 6A und 6B dargestellten kontaktlosen Transformator 59 finden ein Kern 61, der durch einstüc­ kiges Ausbilden des in den Fig. 5A und 5B dargestellten Kerns 43 zusammen mit der magnetischen Hülle 33 gebil­ det wurde, sowie ein Kern 63 Verwendung, der herge­ stellt wurde, in dem die magnetische Hülle 47 einstüc­ kig mit dem zugehörigen Kern 43 ausgebildet wurde.

Als magnetisches Metallmaterial wird hier ein 45%iges Ni-Fe-Magnetstahlblech mit einer Dicke von 2 mm einge­ setzt. Konzentrische Nuten 55 sind so ausgebildet, daß sie die Wicklungen 23 aufnehmen können, und weisen durch die Kerne 43 nach außen führende Löcher 71 auf, durch die die Endbereiche 23e der in den Nuten 55 ange­ ordneten Wicklungen 23 nach außen geführt werden. Die nach außen führenden Löcher 71 verlaufen von den Kernen 43 aus weiter durch die jeweiligen Halteelemente 67 bzw. 65. Bei den nach außen führenden Löchern 71 kann es sich um Durchgangslöcher oder Öffnungen handeln. Jede Wicklung besteht aus dreißig Windungen eines mit Isoliermaterial beschichteten leitfähigen Drahts, bei­ spielsweise eines mit Polyvinylformal beschichteten Kupferdrahts mit einem Durchmesser von 0,4 mm. Die Nu­ ten 55 stehen mit jeweiligen (nicht dargestellten) die Drähte nach außen führenden Löchern in Verbindung. Die integral ausgebildeten Kerne 61 und 63 sind durch ein Haftmittel an jeweiligen Halteelementen 65 bzw. 67 be­ festigt. Einer der Kerne 61 und 63 weist einen konkaven Querschnitt auf, während der andere einen konvexen Querschnitt besitzt. Die Kerne 61 und 63 sind so ange­ ordnet, daß sie die Wicklungen 23 umgeben. Der Durch­ messer des mittigen Durchgangslochs 69 ist in den Fig. 6A und 6B kleiner dargestellt, als es der Realität entspricht.

Die Wicklungen 23 sind einzeln in jeweiligen Nuten 55 angeordnet und an den Kernen 61 und 63 durch ein Haft­ mittel befestigt, wobei die Wicklung 23a im Transforma­ tor 59 in der innersten Nut 55a der vier konzentrischen Nuten 55a bis 55d angeordnet ist und der Stromzuführung dient, während die anderen Wicklungen 23b bis 23d der Signalübertragung dienen. Die Übertragungseffizienz des kontaktlosen Transformators 59 wurde in der bereits be­ schriebenen Weise gemessen. Als Eingangssignal (12 V/15 W) wurde dabei wiederum eine durch einen Funktions­ generator erzeugte Sinuswelle mit einer Frequenz von 25 kHz verwendet. Das Ausgangssignal wurde mit Hilfe eines Spektralanalysators gemessen, wobei eine Ausgangslei­ stung von 7,5 W erzielt wurde.

An den beschriebenen Transformatoren wurden weitere Messungen durchgeführt, wobei ein Impulssignal mit ei­ ner Spannung von 1 V einer Signalübertragungswicklung zugeführt und der Ablauf der Signalübertragung mit Hilfe eines Oszilloskops ermittelt wurde. Insbesondere wurde hierbei ein marktübliches Mobiltelefon als ex­ terne Störwellen-Quelle eingesetzt, wobei Störwellen von einer vom Transformator 40 cm entfernten Position aus übertragen wurden. Während beim Einsatz der magne­ tischen Hülle(n) 24, 33 bzw. 47 keine Veränderung beob­ achtet wurde, kam es beim Verzicht auf eine magnetische Hülle zu einer Verzerrung der Signalwellenform.

Wie bereits erwähnt, werden bei der vorliegenden Erfin­ dung im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Stromzuführung und die Signalübertragung durch biegsame, elastische Drähte erfolgt, Stromzuführung und Signalübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Induk­ tion unter Verwendung kontaktloser Transformatoren durchgeführt, was eine einfachere Montage erlaubt. Zu­ dem kommt es während der Betätigung des Lenkrads weder zu einer Geräuschentwicklung aufgrund aneinanderreiben­ der Drähte noch zu einem entsprechenden Widerstand.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung läßt sich durch die Verwendung einander gegenüberlie­ gender Magnetkerne und einer magnetischen Hülle die Übertragungseffizienz erhöhen. Außerdem besteht jeder Kern des Transformators aus einer Kombination von fä­ cherförmigen Kernen und ist scheibenförmig gestaltet, was die Erzeugung eines kontaktlosen Transformators vereinfacht, weil bei der Herstellung des Kerns nur eine minimale Verformung auftritt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird anstelle eines beispielsweise aus Ferrit bestehen­ den gesinterten Körpers ein magnetisches Metallmaterial zur Bildung des Transformatorkerns eingesetzt, wodurch sich beispielsweise eine während der Herstellung des Kerns erfolgende Verformung sowie ein Auftreten von Sprüngen während der Montage und andere entsprechende Probleme vermeiden lassen und wobei Kerne und magneti­ sche Hüllen integral hergestellt werden können. Ein derartiger kontaktloser Transformator läßt sich wie­ derum auf sehr einfache Weise herstellen und montieren.

Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß auch möglich, einen kontaktlosen Transformator vorzusehen, bei dem negative Auswirkungen externer Störwellen auf die Si­ gnalübertragung unterdrückt werden und der hierdurch eine sehr zuverlässige Signalübertragung erlaubt.

Claims (14)

1. Fahrzeug-Signalrelaisanordnung, bei der zur Weiter­ leitung eines Signals oder eines Stroms ein kontakt­ loser Transformator in einem Lenkradbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist, der die folgenden Bestand­ teile enthält:

• - wenigstens ein Paar aus Draht bestehender Wick­ lungen;
• - zwei scheibenförmige Magnetkerne, die jeweils wenigstens eine konzentrische Nut aufweisen, in der wenigstens eine der Wicklungen angeordnet ist; und
• - wenigstens eine magnetische Hülle, die zumindest Außenumfangsflächen der beiden Magnetkerne be­ deckt,

wobei sich die beiden Magnetkerne mit einem bestimm­ ten Abstand gegenüberliegen und zwischen ihnen ein von der magnetischen Hülle umschlossener Spalt ver­ bleibt.

2. Fahrzeug-Signalrelaisanordnung nach Anspruch 1, wo­ bei die wenigstens eine magnetische Hülle entweder eine zylindrische Form oder eine Topfform mit einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche oder eine Form mit konkavem Querschnitt und einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche oder mit konvexem Querschnitt und einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche auf­ weist.

3. Fahrzeug-Signalrelaisanordnung nach Anspruch 2, wo­ bei die Magnetkerne und/oder die magnetische Hülle im wesentlichen aus einem magnetischen Metallmate­ rial bestehen.

4. Fahrzeug-Signalrelaisanordnung nach Anspruch 3, wo­ bei die wenigstens eine magnetische Hülle mit einer Bodenfläche und/oder einer Außenumfangsfläche und/oder einer Innenumfangsfläche eines der Magnet­ kerne in Kontakt steht.

5. Fahrzeug-Signalrelaisanordnung nach Anspruch 1, wo­ bei jeder Magnetkern zudem wenigstens eine radiale Nut oder wenigstens ein nach außen führendes Loch aufweist, durch die bzw. das Endbereiche der Wick­ lungen nach außen geführt werden.

6. Kontaktloser Transformator, enthaltend

• - wenigstens eine aus Draht bestehende Wicklung;
• - zwei scheibenförmige Magnetkerne, die jeweils wenigstens eine konzentrische Nut aufweisen, in der jeweils wenigstens eine der Wicklungen un­ tergebracht ist; und
• - wenigstens eine magnetische Hülle, die wenig­ stens Außenumfangsflächen der beiden Magnetkerne bedeckt,

wobei sich die beiden Magnetkerne mit einem bestimm­ ten Abstand gegenüberliegen und zwischen ihnen ein von der magnetischen Hülle umschlossener Spalt ver­ bleibt.

7. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 6, wobei die wenigstens eine magnetische Hülle entweder eine zylindrische Form oder eine Topfform mit einer Öff­ nung in der Mitte der Bodenfläche oder eine Form mit konkavem Querschnitt und einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche oder mit konvexem Querschnitt und einer Öffnung in der Mitte der Bodenfläche aufweist.

8. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 7, wobei die Magnetkerne und/oder die magnetische Hülle im wesentlichen aus einem magnetischen Metallmaterial bestehen.

9. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 8, wobei die wenigstens eine magnetische Hülle mit einer Bo­ denfläche und/oder einer Außenumfangsfläche und/oder einer Innenumfangsfläche eines der Magnetkerne in Kontakt steht.

10. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 9, wobei jeder Magnetkern zudem wenigstens eine radiale Nut oder wenigstens ein nach außen führendes Loch auf­ weist, durch die bzw. das Endbereiche der Wicklungen nach außen geführt werden.

11. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 10, wobei jeder Magnetkern aus einer Kombination einer Viel­ zahl fächerförmiger Kerne besteht und scheibenförmig gestaltet ist.

12. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 11, wobei jeder fächerförmige Kern aus einem gesinterten Fer­ ritkörper besteht.

13. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 8, wobei jeder Magnetkern zudem wenigstens eine Nut bzw. eine Öffnung aufweist, durch die ein Endbereich der Wick­ lung nach außen geführt wird.

14. Kontaktloser Transformator nach Anspruch 13, wobei die magnetische Hülle und einer der Magnetkerne zu­ sammen als integrales Magnetmetallelement ausgebil­ det sind.