DE10157796A1

DE10157796A1 - Three-dimensional winding arrangement

Info

Publication number: DE10157796A1
Application number: DE10157796A
Authority: DE
Inventors: Guntram Scheible; Berthold Dilger; Christian Willmes
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-05
Also published as: DE50200258D1; EP1315178A1; EP1315178B1

Abstract

Es wird eine dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld vorgeschlagen, mit drei Wicklungen (14, 15, 16), deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Es ist ein würfelförmiger Wicklungsträger vorgesehen, welcher an seinen acht Ecken mit erhabenen Kanten (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) versehen ist, wobei der Abstand zwischen einer Außenfläche einer erhabenen Kante (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) und der Außenmantelfläche (3, 9) des Würfels mindestens der Wicklungsstärke entspricht, und wobei zwischen zwei erhabenen Kanten jeweils umlaufende Abstandsräume (A, B, C) zur Wicklungsführung bzw. Einlage der Wicklungen (14, 15, 16) gebildet sind.A three-dimensional winding arrangement for generating electrical energy from a magnetic field is proposed, with three windings (14, 15, 16), the winding axes of which are arranged at right angles to one another and intersect at a common point. A cube-shaped winding support is provided, which is provided with raised edges (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) at its eight corners, the distance between an outer surface of a raised edge (4, 5, 6 , 7, 10, 11, 12, 13) and the outer circumferential surface (3, 9) of the cube corresponds at least to the winding thickness, and with circumferential spacing spaces (A, B, C) between two raised edges for winding guidance or insertion of the windings ( 14, 15, 16) are formed.

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. The invention relates to a three-dimensional winding arrangement according to the Preamble of claim 1. The invention can for example Energy supply from sensors and / or actuators from a magnetic field can be used.

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. From DE 39 22 556 C3 an arrangement for contactless energy and Sensor signal transmission with an RF transmitter to build an unmodulated magnetic High-frequency field known via a transmitter coil, in which a transponder records high-frequency magnetic fields and uses them to supply energy. With The supply energy obtained from the magnetic field becomes sensor and Transponder supplied.

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. The invention has for its object to be a very effective and simple and compact three-dimensional winding arrangement for generating electrical Specify energy from a magnetic field.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This task is combined with the features of the generic term solved according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine kompakte, reproduzierbare Geometrie der Wicklungsanordnung ergibt - d. h. es ergeben sich sehr gut 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. The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that one compact, reproducible geometry of the winding arrangement results - d. H. it there are very reproducible electrical values (inductance, capacitance) an additional subsequent, cost-intensive coordination (e.g. everyone individual winding in series production). The one for the winding arrangement available space is used optimally, d. H. versus conventionally wound Space is saved in windings. The winding arrangement is inexpensive produced.

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. The general advantage of a three-dimensional winding is that the three-dimensional winding arrangement no special orientation depending on the magnetic field serving for energy supply always requires an optimal To achieve "energy yield". The three-dimensional winding arrangement is rather always "automatically" optimal in all possible positions with regard to the magnetic field aligned what an optimal reception and an optimal energetic Utilization with moving sensors and / or actuators enables.

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. The proposed three-dimensional winding arrangement is particularly suitable for an arrangement for wireless proposed in DE 199 26 799 A1 Supply of a large number of sensors with electrical energy using at least one primary winding fed by a medium-frequency oscillator (primary coil, Transmitter coil), each sensor having at least one for absorbing energy from one medium-frequency magnetic field (range from about 15 kHz to about 15 MHz) suitable Has secondary winding (secondary coil, receiving coil). The required there Secondary windings can very well be proposed by the three-dimensional Winding arrangement can be realized. The advantage of always "automatically" optimal alignment with regard to the magnetic field and thus the optimal energy yield is particularly with sensors mounted on moving machine components (Proximity sensors) significant.

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. The proposed three-dimensional winding arrangement is also very good suitable for a wireless arrangement proposed in DE 199 26 562 A1 Supply of a large number of actuators with electrical energy produced magnetic field is used for energy transmission.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Further advantages are evident from the description below.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Advantageous embodiments of the invention are in the subclaims characterized.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: The invention is described below with reference to the drawing Exemplary embodiments explained. Show it:

Fig. 1 Wicklungsträger und Kern der Wicklungsanordnung vor dem Zusammenbau, Fig. 1 winding support and the core of the winding assembly prior to assembly,

Fig. 2 den montierten Wicklungsträger vor der Bewicklung, Fig. 2 shows the assembled coil support prior to the winding,

Fig. 3 eine fertiggestellte dreidimensionale Wicklungsanordnung. Fig. 3 shows a completed three-dimensional winding arrangement.

In Fig. 1 sind Wicklungsträger und Kern der Wicklungsanordnung vor dem Zusammenbau dargestellt. Der würfelförmige, zentrale Kern 1 aus magnetisch wirksamem Material wird von einem aus zwei hohlen Halbwürfeln 2, 8 gebildeten Wicklungsträger abgedeckt. Die beiden im wesentlichen symmetrischen Halbwürfel 2, 8 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial. In Fig. 1 the winding support and the core of the winding assembly are shown prior to assembly. The cube-shaped, central core 1 made of magnetically active material is covered by a winding support formed from two hollow half-cubes 2 , 8 . The two essentially symmetrical half-cubes 2 , 8 consist of an electrically insulating plastic material.

Alle vier Kanten bzw. Ecken der Außenmantelfläche 3 des Halbwürfels 2 sind als erhabene Kanten 4, 5, 6, 7 ausgebildet. In gleicher Weise sind auch alle vier Kanten der Außenmantelfläche 9 des Halbwürfels 8 als erhabene Kanten 10, 11, 12, 13 ausgebildet. Der Abstand zwischen einer Außenfläche einer erhabenen Kante 4, 5, 6, 7 und der Außenmantelfläche 3 bzw. zwischen einer erhabenen Kante 10, 11, 12, 13 und der Außenmantelfläche 9 entspricht mindestens der Wicklungsstärke. All four edges or corners of the outer lateral surface 3 of the half-cube 2 are designed as raised edges 4 , 5 , 6 , 7 . In the same way, all four edges of the outer lateral surface 9 of the half-cube 8 are designed as raised edges 10 , 11 , 12 , 13 . The distance between an outer surface of a raised edge 4 , 5 , 6 , 7 and the outer surface 3 or between a raised edge 10 , 11 , 12 , 13 and the outer surface 9 corresponds at least to the winding thickness.

Fig. 2 zeigt den montierten Wicklungsträger vor der Bewicklung. Der Kern 1 ist vollständig von den beiden Halbwürfeln 2, 8 umschlossen. Vorzugsweise ist zwischen Kern 1 und Innenmantelflächen der Halbwürfel 2, 8 ein Klebstoff eingebracht, um einen Schutz vor seitlicher Verschiebung sicherzustellen und eine robuste, rüttelsichere und dauerhafte Fixierung zu gewährleisten. Alternativ hierzu sind die Innenflächen der Halbwürfel 2, 8 mit flexiblen Noppen versehen, welche einen Toleranzausgleich zwischen den Außenmaßen des Kerns und den Innenmaßen der Halbwürfel 2, 8 ermöglichen und gleichzeitig eine Zentrierung und unverrückbare Fixierung des eingeschlossenen Kerns sicherstellen. Eine weitere Alternative stellt das Einbringen eines elastischen Schaumstoffmaterials oder eines sonstigen elastischen Materials zwischen Innenwandung der Halbwürfel 2, 8 und Kern 1 dar. Fig. 2 shows the assembled winding carrier before the winding. The core 1 is completely enclosed by the two half-cubes 2 , 8 . An adhesive is preferably introduced between the core 1 and the inner lateral surfaces of the half-cubes 2 , 8 in order to ensure protection against lateral displacement and to ensure a robust, vibration-proof and permanent fixation. As an alternative to this, the inner surfaces of the half-cubes 2 , 8 are provided with flexible knobs, which enable tolerance compensation between the outer dimensions of the core and the inner dimensions of the half-cubes 2 , 8 and at the same time ensure centering and immovable fixation of the enclosed core. Another alternative is to introduce an elastic foam material or another elastic material between the inner wall of the half-cubes 2 , 8 and core 1 .

Die offenen, einander zugewandten Seitenkanten der beiden Halbwürfel 2, 8 können als Federn bzw. Nuten ausgebildet sein, um ein Verrasten der beiden Halbwürfel zu bewirken. The open, mutually facing side edges of the two half-cubes 2 , 8 can be designed as tongues or grooves in order to cause the two half-cubes to latch.

Wie gut in Fig. 2 zu erkennen ist, werden zwischen zwei erhabenen Kanten jeweils umlaufende Abstandsräume A, B, C zur Wicklungsführung der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gebildet, und zwar

- Abstandsräume A zwischen den Kanten 10, 11, den Kanten 4, 5, den Kanten 6, 7 und den Kanten 12, 13,
- Abstandsräume B zwischen den Kanten 11, 12, den Kanten 5, 6, den Kanten 4, 7 und den Kanten 10, 13,
- Abstandsräume C zwischen den Kanten 4, 10, den Kanten 5, 11, den Kanten 6, 12 und den Kanten 7, 13.

As can be clearly seen in FIG. 2, circumferential spacing spaces A, B, C for winding guidance of the three-dimensional winding arrangement are formed between two raised edges

Spacing spaces A between edges 10 , 11 , edges 4 , 5 , edges 6 , 7 and edges 12 , 13 ,
Distance spaces B between edges 11 , 12 , edges 5 , 6 , edges 4 , 7 and edges 10 , 13 ,
- Spaces C between edges 4 , 10 , edges 5 , 11 , edges 6 , 12 and edges 7 , 13 .

Durch diese als durchgehende Wicklungspassagen dienenden Abstandsräume A, B, C wird jeweils die Wicklungsbreite der aufzubringenden Wicklungen festgelegt. Through these spacing spaces A, B, C serving as continuous winding passages the winding width of the windings to be applied is determined in each case.

Fig. 3 zeigt eine fertiggestellte dreidimensionale Wicklungsanordnung. Auf den Wicklungsträger 2 + 8 sind drei Wicklungen 14, 15, 16 aufgebracht, wobei die untere Wicklung 14 längs des Abstandsraumes C, die mittlere Wicklung 15 längs des Abstandsraumes B und die obere Wicklung 16 längs des Abstandsraumes A verläuft. Über beispielsweise an den erhabenen Kanten 5, 6, 7 angeordnete Wicklungsanschlüsse 17 erfolgt der elektrische Anschluß der drei Wicklungen 14, 15, 16. Diese als Kontaktstifte ausgebildete Wicklungsanschlüsse 17 sind direkt mit Leiterbahnen einer Leiterplatte verlötbar (SMD-Technik, Surface Mounted Device). Fig. 3 shows a finished three-dimensional winding arrangement. Three windings 14 , 15 , 16 are applied to the winding carrier 2 + 8, the lower winding 14 running along the spacing space C, the middle winding 15 running along the spacing space B and the upper winding 16 along the spacing space A. The three windings 14 , 15 , 16 are electrically connected via winding connections 17 arranged on the raised edges 5 , 6 , 7 . These winding connections 17, which are designed as contact pins, can be soldered directly to conductor tracks of a printed circuit board (SMD technology, surface mounted device).

Alternativ ist der elektrische Wicklungsanschluß auch über Kontaktflächen an Stelle der gezeigten Kontaktstifte realisierbar. Alternatively, the electrical winding connection is also in place of the contact surfaces shown contact pins can be realized.

In diesem Zusammenhang stellt es einen besonderen Vorteil dar, wenn beispielsweise die erhabenen Kanten 4, 5, 6, 7 an ihren nach außen gerichteten Flächen mit Rastnasen versehen sind, welche ein Einrasten in eine Leiterplatte und somit die mechanische Fixierung der dreidimensionalen Wicklungsanordnung an einer Leiterplatte ermöglichen. In this context, it is a particular advantage if, for example, the raised edges 4 , 5 , 6 , 7 are provided on their outward-facing surfaces with locking lugs, which snap into a printed circuit board and thus mechanically fix the three-dimensional winding arrangement on a printed circuit board enable.

Die gebildete dreidimensionale Wicklungsanordnung dient zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld. Die Wicklungsachsen der drei Wicklungen 14, 15, 16 sind jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt. Zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bilden die Wicklungen 14, 15, 16 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 einer zu speisenden Last - beispielsweise einer Sensor-Meßeinheit oder einer Sensor-Elektronik bzw. einer Ansteuereinheit eines Aktors - verschaltet. The three-dimensional winding arrangement formed is used to generate electrical energy from a magnetic field. The winding axes of the three windings 14 , 15 , 16 are each arranged at right angles to one another and intersect at a common point. To generate electrical energy from a magnetic field, the windings 14 , 15 , 16 together with resonance capacitors each form series resonance circuits or parallel resonance circuits, which are preferably connected to rectifiers. The rectifiers are each provided with backup capacitors on the secondary side. The DC connections of all rectifiers are connected in series with a load to be fed - for example a sensor measuring unit or sensor electronics or a control unit of an actuator.

Auch wenn vorstehend stets von einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung mit integriertem zentralem Kern ausgegangen wird, ist auch eine dreidimensionale Wicklungsanordnung ohne Kern realisierbar. Bei einer solchen dreidimensionalen Wicklungsanordnung ist es nicht erforderlich, den würfelförmigen Wicklungsträger aus zwei Bauteilen zusammenzusetzen, sondern der Wicklungsträger wird durch einen einteiligen Würfel (beispielsweise aus einem massiven Kunststoffmaterial bestehend) mit erhabenen Kanten 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13 an allen acht Ecken gemäß der in Fig. 2 gezeigten Form gebildet. Even if a three-dimensional winding arrangement with an integrated central core is always assumed above, a three-dimensional winding arrangement without a core can also be realized. With such a three-dimensional winding arrangement, it is not necessary to assemble the cube-shaped winding carrier from two components, but rather the winding carrier is formed by a one-piece cube (consisting for example of a solid plastic material) with raised edges 4 , 5 , 6 , 7 , 10 , 11 , 12 , 13 are formed at all eight corners according to the shape shown in FIG. 2.

Claims

1. Three-dimensional winding arrangement for generating electrical energy from a magnetic field, with three windings ( 14 , 15 , 16 ), the winding axes of which are each arranged at right angles to one another and intersect at a common point, characterized in that a cube-shaped winding support is provided, which on its eight corners is provided with raised edges ( 4 , 5 , 6 , 7 , 10 , 11 , 12 , 13 ), the distance between an outer surface of a raised edge ( 4 , 5 , 6 , 7 , 10 , 11 , 12 , 13 ) and the outer circumferential surface ( 3 , 9 ) of the cube corresponds at least to the winding thickness and wherein circumferential spacing spaces (A, B, C) for winding guidance or insertion of the windings ( 14 , 15 , 16 ) are formed between two raised edges.

2. Winding arrangement according to claim 1, characterized in that the winding support is composed of two hollow half-cubes ( 2 , 8 ) which enclose a core ( 1 ) made of a magnetically active material.

3. Winding arrangement according to claim 2, characterized in that an adhesive is introduced between the inner lateral surfaces of the half-cubes ( 2 , 8 ) and the core ( 1 ).

4. Winding arrangement according to claim 2, characterized in that the inner surfaces of the half-cubes ( 2 , 8 ) are provided with flexible knobs.

5. Winding arrangement according to claim 2, characterized in that an elastic material, preferably foam material, is introduced between the inner wall of the half-cubes ( 2 , 8 ) and the core ( 1 ).

6. Winding arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the mutually facing side edges of the half-cubes ( 2 , 8 ) are designed as latchable springs or grooves.

7. Winding arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that winding connections ( 17 ) designed as contact pins or contact surfaces are arranged on raised edges.

8. Winding arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least individual raised edges on their outward directed surfaces with latches suitable for mounting on a printed circuit board are provided.