DE10148288A1 - Dreidimensionale Wicklungsanordnung - Google Patents

Dreidimensionale Wicklungsanordnung

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DE10148288A1
DE10148288A1 DE2001148288 DE10148288A DE10148288A1 DE 10148288 A1 DE10148288 A1 DE 10148288A1 DE 2001148288 DE2001148288 DE 2001148288 DE 10148288 A DE10148288 A DE 10148288A DE 10148288 A1 DE10148288 A1 DE 10148288A1
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conductor tracks
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DE2001148288
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Guntram Scheible
Jean Schutz
Christian Willmes
Richard Steigmann
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ABB Research Ltd Switzerland
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ABB Research Ltd Switzerland
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00Coils
    • H01F5/003Printed circuit coils
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006Printed inductances
    • H01F17/0013Printed inductances with stacked layers

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  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Es wird eine dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld vorgeschlagen, mit drei Wicklungen (1, 2, 3), deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die Wicklungen (1, 2, 3) sind jeweils aus einer Multilayer-Leiterplatte (7) gebildet, deren Leiterbahnen (8) zur Bildung von Wicklungen über Kontaktierungen (10, 11) miteiander verbunden sind. Die Wicklungen (1, 2, 3) sind derart mit abschnittsweise durchgehenden Wicklungspassagen (4), abschnittsweisen Ausnehmungen (5) und abschnittsweise erhabenen Wicklungspassagen (6) ausgebildet, daß sich bei dreidimensionalem Verschachteln der drei Wicklungen eine in sich stabile Konfiguration ergibt.

Description

  • 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.

Claims (7)

1. Dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld, mit drei Wicklungen (1, 2, 3), deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (1, 2, 3) jeweils aus einer Multilayer-Leiterplatte (7) gebildet sind, deren Leiterbahnen (8) zur Bildung von Wicklungen über Kontaktierungen (10, 11) miteinander verbunden sind und daß die Wicklungen (1, 2, 3) derart mit abschnittsweise durchgehenden Wicklungspassagen (4), abschnittsweisen Ausnehmungen (5) und abschnittsweise erhabenen Wicklungspassagen (6) ausgebildet sind, daß sich bei dreidimensionalem Verschachteln der drei Wicklungen eine in sich stabile Konfiguration ergibt.
2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Durchkontaktierungen (10) zwischen den benachbarten Leiterbahnen (8).
3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Randkontaktierungen (11) zwischen den benachbarten Leiterbahnen (8).
4. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Multilayer-Leiterplatten (7) abschnittsweise mit schaltungstechnisch relevanten Baukomponenten, wie Resonanzkondensatoren oder Gleichrichtern bestückt sind.
5. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (1, 2, 3) um einen Kern aus einem magnetisch wirksamen Material angeordnet sind.
6. Wicklungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern Nuten zur Aufnahme Nuten zur Aufnahme von randseitigen Kanten der Wicklungen aufweist.
7. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung (1, 2, 3) außer dem induktiven Anteil eines Resonanzkreises gleichzeitig auch dessen kapazitiven Anteil bildet, was durch entsprechende Bemessung der Breite der Leiterbahnen (8), insbesondere durch entsprechende Bemessung der Fläche der erhabenen Wicklungspassagen (6) erfolgt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006044060A1 (de) * 2006-09-20 2008-03-27 Abb Patent Gmbh Zwei- oder mehrdimensionale Wicklungsanordnung und Verfahren zur Reduktion der Kopplungen zwischen Resonanzwicklungen
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