-
Die Erfindung bezieht sich auf eine dreidimensionale Wicklungsanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur
Energieeinspeisung von Sensoren und/oder Aktoren aus einem Magnetfeld verwendet werden.
-
Aus der DE 39 22 556 C3 ist eine Anordnung zur kontaktlosen Energie- und
Sensorsignalübertragung 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 und dabei einfach und
kompakt aufgebaute dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer
Energie aus einem Magnetfeld anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmaien des Oberbegriffes
erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine
reproduzierbare Geometrie der Wicklungsanordnung ergibt - d. h. es ergeben sich
exakt reproduzierbare elektrische Werte (Induktivität, Kapazität), wodurch sich eine
zusätzliche nachträgliche, kostenintensive Abstimmung (beispielsweise jeder einzelnen
Wicklung bei einer Serienfertigung) erübrigt. Der für die Wicklungsanordnung
verfügbare Raum wird optimal ausgenutzt, d. h. gegenüber konventionell gewickelten
Wicklungen wird Raum eingespart. Die Wicklungsanordnung ist kostengünstig herstellbar. Die
Wicklungen können in einfacher Art und Weise mit zusätzlichen Bauelementen -
beispielsweise mit Resonanzkondensatoren und/oder Gleichrichtern/Konvertern -
bestückt, beispielsweise verlötet werden.
-
Der allgemeine Vorteil einer dreidimensionalen Wicklung ist darin zu sehen, daß die
dreidimensionale Wicklungsanordnung keine spezielle Ausrichtung in Abhängigkeit des
zur Energieeinspeisung dienenden Magnetfeldes erfordert, um stets eine optimale
"Energieausbeute" zu erzielen. Die dreidimensionale Wicklungsanordnung ist vielmehr
stets in allen möglichen Positionen "automatisch" optimal bezüglich des Magnetfeldes
ausgerichtet, was einen optimalen Empfang und eine optimale energetische
Ausnutzung bei bewegten Sensoren und/oder Aktoren ermöglicht.
-
Die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung ist insbesondere geeignet
für eine in der DE 199 26 799 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen
Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer
von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung (Primärspule,
Sendespule), wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem
mittelfrequenten Magnetfeld (Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz) geeignete
Sekundärwicklung (Sekundärspule, Empfangsspule) aufweist. Die dort erforderlichen
Sekundärwicklungen können sehr gut durch die vorgeschlagene dreidimensionale
Wicklungsanordnung realisiert werden. Der Vorteil der stets "automatisch" optimalen Ausrichtung
bezüglich des Magnetfeldes und damit der optimalen Energieausbeute ist insbesondere
bei an beweglichen Maschinenkomponenten montierten Sensoren
(Näherungssensoren) bedeutsam.
-
Die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung ist des weiteren bestens
geeignet für eine in der DE 199 26 562 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen
Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, wobei ebenfalls das
produzierte Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird.
-
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
-
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung,
-
Fig. 2, 3, 4 eine erste, zweite und dritte Wicklung in Seitenansicht und Stirnansicht,
-
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Wicklungsabschnitt mit durchgehender
Wicklungspassage,
-
Fig. 6 einen Schnitt durch einen Wicklungsabschnitt mit erhabener
Wicklungspassage,
-
Fig. 7 eine die Wicklung bildende, ausgestanzte Multilayer-Leiterplatte,
-
Fig. 8 eine Wicklung mit Randkontaktierung.
-
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung
dargestellt. Es ist eine dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer
Energie aus einem Magnetfeld zu erkennen, welche aus drei Wicklungen 1, 2, 3
besteht, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich
in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die Wicklungen 1, 2, 3 sind vorzugsweise
- jedoch nicht notwendigerweise - um einen nicht dargestellten zentralen, symmetrisch
aufgebauten Kern (kubusförmig) aus einem magnetisch wirksamen Material
(insbesondere Ferrit) aufgebracht. Selbstverständlich kann der magnetische Kern mit Nuten zur
Aufnahme von randseitigen Kanten der Wicklungen versehen sein, was dem robusten
mechanischen Aufbau der Anordnung förderlich ist.
-
In den Fig. 2, 3 und 4 sind eine erste, zweite und dritte Wicklung in Seitenansicht und
Stirnansicht dargestellt. Die Wicklungen 1, 2, 3 sind jeweils aus einer Multilayer-
Leiterplatte 7 ausgestanzt (siehe Fig. 7) und relativ stabil und verwindungssteif. Es ist
gut zu erkennen, daß die Konturen der Innenmantelflächen der Wicklungen 1 und 2
derartig ausgebildet sind, daß sich an den Kreuzungsabschnitten von zwei Wicklungen
1, 2, 3 Ausnehmungen 5 ergeben, die ein Ineinanderstecken der Wicklungen ohne
Verformung der Wicklungen ermöglichen. An den Ausnehmungen 5 ergeben sich
durchgehende Wicklungspassagen 4 mit vorgegebener Mindestbreite von Leiterbahnen
8 (siehe Fig. 5).
-
Gleichzeitig dienen diese Ausnehmungen 5 der Arretierung der Wicklungen 1, 2, 3. Die
Konturen der Außenmantelflächen der Wicklungen 2 und 3 sind derartig ausgebildet,
daß sich in unmittelbarer Nähe von Kreuzungsabschnitten von zwei Wicklungen 1, 2, 3
jeweils erhabene Wicklungspassagen 6 bzw. Eckwinkel ergeben, die eine zusätzliche
Fixierung der Wicklungen, d. h. einen Schutz vor seitlicher Verschiebung, bewirken.
Insgesamt sind die durchgehenden Wicklungspassagen 4, Ausnehmungen 5 und
erhabenen Wicklungspassagen 6 der drei Wicklungen derart angeordnet, daß sich auch
ohne einen zusätzlichen zentralen, Magnetkern eine robuste, rüttelsichere
Konfiguration ergibt.
-
Die Montage der Wicklungsanordnung erfolgt derart, daß in einem ersten Schritt
Wicklung 2 auf Wicklung 3 aufgeschoben wird, wobei die Multilayer-Leiterplatte der
Wicklung 3 innerhalb der beiden Ausnehmungen 5 der Leiterplatte der Wicklung 2 gleitet.
Die beiden erhabenen Wicklungspassagen 6 der Wicklung 3 dienen als Anschlag für
Wicklung 2. In einem zweiten Schritt wird Wicklung 1 auf die Konfiguration Wicklung
2+3 aufgeschoben, wobei die Multilayer-Leiterplatten der Wicklungen 2, 3 innerhalb der
vier Ausnehmungen 5 der Leiterplatte der Wicklung 1 gleiten. Die erhabenen beiden
Wicklungspassagen 6 der Wicklung 2 dienen als Anschlag für Wicklung 1.
-
In Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen Wicklungsabschnitt mit durchgehender
Wicklungspassage dargestellt. Es ist eine Multilayer-Leiterplatte 7 mit Leiterbahnen 8 und jeweils
zwischen zwei Leiterbahnen angeordneten Isolierfolien 9 zu erkennen.
-
In Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen Wicklungsabschnitt mit erhabener
Wicklungspassage dargestellt. Die Wicklungen 1, 2, 3 sind jeweils aus einer Multilayer-Leiterplatte 7
ausgestanzt (siehe Fig. 7), wobei die Multilayer-Leiterplatte beispielsweise aus sechs-
unddreißig Leiterbahnen 8 mit jeweils zwischenliegenden Isolierfolien 9 besteht. Zur
Bildung einer Wicklung mit beispielsweise sechsunddreißig Windungen sind die jeweils
benachbarten Leiterbahnen 8 mit Hilfe von Durchkontaktierungen 10 elektrisch
miteinander verbunden. Zur Schaffung der Durchkontaktierungen 10 können die allgemein
üblichen Durchkontaktierungsverfahren unter Verwendung von Bohren und
randseitigem Fräsen eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt beispielsweise eine in die Multilayer-
Leiterplatte 7 eingebrachte Bohrung, die mit einer randseitigen Metallisierung zur
Verbindung von zwei Leiterbahnen 8 versehen ist.
-
Diese Durchkontaktierungen 10 befinden sich vorzugsweise innerhalb der erhabenen
Wicklungspassagen 6. Des weiteren sind die Wicklungsanschlüsse vorzugsweise an
den erhabenen Wicklungspassagen 6 angeordnet. Die erhabenen Wicklungspassagen
6 können auch zur Anordnung von Resonanzkondensatoren bzw. anderer
schaltungstechnisch relevanter Baukomponenten - wie Gleichrichter/Konverter - herangezogen
werden, welche zusammen mit den Wicklungen zu Resonanzkreisen verschaltet sind
bzw. zur Aufbereitung der gewonnenen elektrischen Energie dienen. Durch die
unmittelbare Anordnung der Resonanzkondensatoren in jeder einzelnen Wicklung 1, 2, 3
wird beispielsweise die Güte der gebildeten Resonanzkreise erhöht.
-
Eine alternative Ausführungsform der dreidimensionalen Wicklungsanordnung ist (bei
geeignetem Frequenzbereich) derart realisierbar, daß jede Wicklung 1, 2, 3 außer dem
induktiven Anteil des Resonanzkreises gleichzeitig auch dessen kapazitiven Anteil
bildet. Dies erfolgt durch entsprechende Bemessung der Breite der Leiterbahnen 8,
insbesondere durch entsprechende Bemessung der Fläche der erhabenen
Wicklungspassagen 6, welche einen wesentlichen Beitrag zur Kapazität der Wicklung bildet (PCB-
Kondensator, Printed Circuit Board capacitor).
-
In Fig. 7 ist eine die Wicklung bildende, ausgestanzte Multilayer-Leiterplatte 7
dargestellt. Die Konturen der Innenmantelflächen und Außenmantelflächen (durchgehende
Wicklungspassagen, Ausnehmungen, erhabene Wicklungspassagen) sind zwar nicht
dargestellt, es ist jedoch gut nachvollziehbar, wie die Wicklungen in einfacher Art und
Weise durch Ausstanzen aus handelsüblichen Multilayer-Leiterplatten gefertigt werden
können.
-
In Fig. 8 ist eine Wicklung mit Randkontaktierungen 11 gezeigt, bei der die
Kontaktierungen - alternativ zu den vorstehend erwähnten Durchkontaktierungen 10 - längs der
Randflächen der Wicklungen zwischen den benachbarten Leiterbahnen 8 verlaufen,
was Platz einspart.
-
Selbstverständlich sind die Leiterbahnen 8 der einzelnen Lagen (layer) der Multilayer-
Leiterplatte 7 an geeigneter Stelle zu durchtrennen, um hierdurch zusammen mit den
Kontaktierungen 10, 11 die gewünschten Wicklungen zu erhalten.
-
Zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bilden die Wicklungen
zusammen mit Resonanzkondensatoren jeweils Serien-Resonanzkreise oder Parallel-
Resonanzkreise, welche vorzugsweise an Gleichrichter angeschlossen sind. Die
Gleichrichter sind sekundärseitig jeweils mit Stützkondensatoren versehen. Die
Gleichanschlüsse aller Gleichrichter sind in Serie mit der zu speisenden Last -
beispielsweise eine Sensor-Meßeinheit oder eine Sensor-Elektronik bzw. eine
Ansteuereinheit eines Aktors - verschaltet. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es in einfacher
Weise möglich, diese Gleichrichter und gegebenenfalls auch die Stützkondensatoren
auf der Multilayer-Leiterplatten 7 anzuordnen, wodurch ein insgesamt sehr kompakter
Aufbau erzielt wird.