DE10055404A1

DE10055404A1 - Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld

Info

Publication number: DE10055404A1
Application number: DE10055404A
Authority: DE
Inventors: Guntram Scheible; Kai Garrels
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2001-09-13
Also published as: DE50102793D1

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld vorgeschlagen, gekennzeichnet durch eine dreidimensionale Wicklungsanordnung, gebildet aus einem zentralen Kern (1, 2, 3, 22) aus einem magnetisch wirksamen Material, auf welchem mindestens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) aufgebracht sind, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Jede der mindestens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) ist mit einem Gleichrichter (13, 14, 15, 20/21) verbunden. Jede der mindestens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) ist vorzugsweise mit einem Resonanzkondensator (10, 11, 12) zu einem Resonanzkreis verschaltet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld. Die Erfindung kann beispielsweise zur Energieeinspeisung von Sensoren verwendet werden.

Aus der DE 39 22 556 C3 ist eine Anordnung zur kontaktlosen Energie- und Sensorsi gnalübertragung mit einem HF-Sender zum Aufbau eines unmodulierten magnetischen Hochfrequenzfeldes über eine Sendespule bekannt, bei der ein Transponder das hochfrequente Magnetfeld aufnimmt und zu seiner Energieversorgung heranzieht. Mit der aus dem magnetischen Feld gewonnenen Versorgungsenergie werden Sensor und Transponder versorgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr wirksame Anordnung zur Erzeu gung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld anzugeben.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die drei dimensionale Wicklungsanordnung keine spezielle Ausrichtung in Abhängigkeit eines zur Energiespeisung herangezogenen Magnetfeldes erfordert. Die dreidimensionale Wicklungsanordnung ist vielmehr stets in allen möglichen Positionen "automatisch" op timal bezüglich des Magnetfeldes ausgerichtet, was einen optimalen Empfang und eine optimale energetische Ausnutzung ermöglicht.

Die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung ist insbesondere geeignet für eine in der DE 199 26 799 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen Versor gung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung (Primärspule, Sende spule), wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfre quenten Magnetfeld (Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz) geeignete Sekundär wicklung (Sekundärspule, Empfangsspule) aufweist. Die dort erforderlichen Sekundär wicklungen können sehr gut durch die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsan ordnung realisiert werden. Der Vorteil der stets "automatisch" optimalen Ausrichtung bezüglich des Magnetfeldes ist insbesondere bei an beweglichen Maschinenkompo nenten montierten Sensoren (Näherungssensoren) bedeutsam.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld,

Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung dargestellt. Es ist ein symmetrisch aufgebauter Kern aus drei zueinander jeweils recht winklig angeordneten Schenkeln 1, 2, 3 zu erkennen, wobei sich die Längsachsen der drei Schenkel 1, 2, 3 in einem zentralen Punkt des Kerns schneiden und auf jedem Schenkel 1 bzw. 2 bzw. 3 zwei Wicklungen 4, 5 bzw. 6, 7 bzw. 8, 9 symmetrisch zum zentralen Schnittpunkt aufgebracht sind. Demzufolge sind die Wicklungsachsen der Wicklungen 4 bis 9 jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich in einem Punkt, der gleichzeitig zentraler Punkt des Kerns ist. Der Kern ist aus einem ma gnetisch wirksamen Material gebildet.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung dargestellt. Es ist ein unsymmetrisch aufgebauter Kern aus drei zueinander jeweils rechtwinklig angeordneten Schenkeln 1, 2, 3 zu erkennen, wobei sich die Längsachsen der drei Schenkel 1, 2, 3 in einem randseitigen Punkt des Kerns schneiden und auf je dem Schenkel 1 bzw. 2 bzw. 3 eine Wicklung 4 bzw. 7 bzw. 8 aufgebracht ist. Die Wicklungsachsen der Wicklungen 4, 7, 8 sind jeweils rechtwinklig zueinander angeord net und schneiden sich in einem Punkt, der gleichzeitig der vorstehend erwähnte rand seitige Punkt des Kerns ist.

In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung dargestellt. Es ist ein kubusförmiger Kern 22 zu erkennen, auf den drei Wicklungen 23, 24, 25 aufgebracht sind. Die Wicklungsachsen der Wicklungen 23 bis 25 sind jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich in einem zentralen Punkt des Kerns 22. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der einfachen und kostengünsti gen Herstellbarkeit. Zur Aufnahme der Wicklungen 23 bis 25 kann der Kern 22 mit ent sprechenden Nuten versehen sein, es ist jedoch auch möglich, die Wicklungen 23 bis 25 direkt auf den Kern 22 aufzubringen.

Selbstverständlich ist auch eine kugelförmige Ausbildung des Kerns realisierbar.

In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld dargestellt. Dabei wird beispielhaft eine Ausführungs form der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gemäß Fig. 1 angenommen, eine Realisierung der weiteren Ausführungsformen der Wicklungsanordnungen gemäß den Fig. 2 und 3 ist jedoch ebenfalls möglich. Es ist ein Gleichrichter 13 zu erkennen, des sen Wechselanschlüsse mit einer Serienschaltung der beiden Wicklungen 4, 5 mit ei nem Resonanzkondensator 10 verbunden sind (Serien-Resonanzkreise). In gleicher Weise liegt an den Wechselanschlüssen eines Gleichrichters 14 die Serienschaltung der beiden Wicklungen 6, 7 mit einem Resonanzkondensator 11 bzw. an den Wechse lanschlüssen eines Gleichrichters 15 die Serienschaltung der beiden Wicklungen 8, 9 mit einem Resonanzkondensator 12. Die Gleichrichter 13, 14, 15 sind jeweils in Brük kenschaltung unter Verwendung von vier Halbleiter-Bauelementen gebildet (Brücken- Gleichrichter). Zwischen den Gleichanschlüssen eines jeden Gleichrichters 13 bzw. 14 bzw. 15 ist ein Stützkondensator 16 bzw. 17 bzw. 18 angeordnet. Die Gleichanschlüsse aller Gleichrichter sind in Serie mit einer Last 19 (Sensor-Meßeinheit und Sensor- Elektronik) verschaltet.

In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld dargestellt. Dabei ist der Resonanzkondensator 10 par allel zur Serienschaltung der Wicklungen 4, 5 zwischen den Wechselanschlüssen des Gleichrichters 13 angeordnet. Die weiteren Resonanzkondensatoren 11 bzw. 12 sind in gleicher Weise mit den Wicklungen 6, 7 bzw. 8, 9 zu Parallel-Resonanzkreisen ver schaltet.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld dargestellt. Diese Ausführungsform ist speziell bei der Ausführungsform einer dreidimensionale Wicklungsanordnung nach Fig. 1 mit zwei Wicklungen pro Schenkel des Kerns einsetzbar und führt zu einer Vereinfachung des Gleichrichters. Der Gleichrichter ist hierbei in Form einer Mittelpunktschaltung (centre tapped, centre-tap connection) unter Einsatz von zwei Dioden 20, 21 ausgebildet.

In Fig. 7 ist eine vierte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld dargestellt. Dabei ist gezeigt, daß die elektrische Ver bindung zwischen der Last 19 und den drei Gleichrichtern 13, 14, 15 auch in Form ei ner Parallelschaltung der Gleichanschlüsse der Gleichrichter erfolgen kann. Selbstver ständlich ist sowohl die Serienschaltung der Gleichanschlüsse der Gleichrichter als auch die Parallelschaltung der Gleichanschlüsse der Gleichrichter auch bei der Mittel punktschaltung nach Fig. 6 realisierbar.

In Fig. 8 ist eine fünfte Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld dargestellt. Dabei ist gezeigt, daß auch die Anzapfung zwischen den Wicklungen 4, 5 zum Betrieb als Transformator benutzt werden kann, um die Ausgangsspannung auf eine ausreichendes Niveau zu bringen. Dabei kann auch der Resonanzkondensator 10 an der Anzapfung und der Gleichrichter 13 am Endan schluß liegen. Des weiteren ist es auch möglich, zwei galvanisch getrennte Wicklungen (wie bei einem üblichen Transformator) zu verwenden.

Claims

1. Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld, gekennzeichnet durch eine dreidimensionale Wicklungsanordnung, gebildet aus einem zentralen Kern (1, 2, 3, 22) aus einem magnetisch wirksamen Material, auf welchem mindestens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) aufgebracht sind, deren Wicklungsach sen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kubusförmigen Kern (22).

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen kugelförmigen Kern.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kubusförmige Kern (22) oder der kugelförmige Kern Nuten zur Aufnahme der Wicklun gen (23 bis 25) aufweisen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus drei zueinander jeweils rechtwinklig angeordneten Schenkeln (1 bis 3) gebildet ist, wo bei auf jedem Schenkel mindestens eine Wicklung (4, 7, 8) aufgebracht ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längsachsen der drei Schenkel (1 bis 3) in einem zentralen Punkt des Kerns schneiden und auf jedem Schenkel zwei Wicklungen (4 bis 9) symmetrisch zum zentralen Schnitt punkt aufgebracht sind.

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der mindestens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) mit einem Gleichrichter (13, 14, 15, 20/21) verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der min destens drei Wicklungen (4 bis 9, 23 bis 25) mit einem Resonanzkondensator (10, 11, 12) zu einem Resonanzkreis verschaltet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Serien- Resonanzkreis.

10. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Parallel- Resonanzkreis.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß die Gleichanschlüsse der Gleichrichter (13, 14, 15, 20/21) in Serie geschaltet sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß die Gleichanschlüsse der Gleichrichter (13, 14, 15, 20/21) parallel geschaltet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß die Wicklungen transformatorisch benutzt werden.