DE10162693C1 - Dreidimensionale Wicklungsanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld vorgeschlagen, mit drei Wicklungen, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die Wicklungen sind auf Spulenkörpern (2, 3, 4, 15, 16, 17) gewickelt, welche derart mit abschnittsweisen Ausnehmungen (11, 12) und erhabenen Passagen (13, 14) ausgebildet sind, daß sich bei dreidimensionalem "Verschachteln" der drei bewickelten Spulenkörper eine symmetrische, 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.

Aus der WO 01/75911 A1 ist eine mehrphasige Induktionsvorrichtung (Transformator, Drossel) bekannt, bei welcher Wicklungen unterschiedlicher Phasen um magnetische Kernschenkel angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind sechs Magnetschenkel entsprechend den sechs Achsen des kartesischen Koordinatensystems angeordnet, wobei jeder Magnetschenkel eine Wicklung trägt.

Aus der DE 296 22 710 U1 ist eine ortsveränderliche Vorrrichtung zur Reduzierung von magnetischen Störfelder bekannt, bei welcher zur Erzeugung von magnetischen Kompensationsfeldern drei senkrecht zueinander stehende Spulenpaare verwendet werden.

Aus der WO 88/05545 A1 ist eine Spule für einen Magnetsensor bekannt, bestehend aus einer um einen Kern gewickelten und innerhalb eines Gehäuses angeordneten Erregerwicklung (Toroid) sowie zwei senkrecht aufeinander stehenden, dieses Gehäuse umschließenden Sensorwicklungen.

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 Merkmalen 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 ex­ akt reproduzierbare elektrische Werte (Induktivität, Kapazität), wodurch sich eine zu­ sätzliche nachträgliche, kostenintensive Abstimmung (beispielsweise jeder einzelnen Wicklung bei einer Serienfertigung) erübrigt. Der für die Wicklungsanordnung verfügba­ re Raum wird optimal ausgenutzt. Die Wicklungsanordnung ist kostengünstig herstell­ bar. 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 Ausnut­ zung 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 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 und damit der optimalen Energieausbeute ist insbesondere bei an beweglichen Maschinenkomponenten montierten Sensoren (Näherungssenso­ ren) 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 produ­ zierte Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird.

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 den prinzipiellen Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gemäß erster Ausführungsform,

Fig. 2, 3, 4 einen ersten, zweiten und dritten Spulenkörper in Seitenansicht,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gemäß zweiter Ausführungsform.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gemäß erster Ausführungsform dargestellt. Auf einen Kern 1 werden drei jeweils rechtwinklig zueinander ausgerichtete und ineinander "verschachtelte" Spulenkörper 2, 3, 4 aufge­ bracht. Jeder Spulenkörper 2, 3, 4 weist einen Zentralabschnitt 5 und zwei rechtwinklig hierzu angeordnete Seitenabschnitte 6, 7 auf, wobei die (nicht gezeigten) Wicklungen jeweils auf den durch die beiden Seitenabschnitte 6, 7 präzise begrenzten Zentralab­ schnitt 5 gewickelt sind. Mit Bezugszeichen b ist die Breite eines Spulenkörpers be­ zeichnet. Mittels der bewickelten Spulenkörper ergibt sich eine dreidimensionale Wick­ lungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld, welche aus drei Wicklungen besteht, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander an­ geordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die Spulenkörper sind vorzugsweise - jedoch nicht notwendigerweise - um den zentralen, symmetrisch auf­ gebauten Kern 1 (kubusförmig) aus einem magnetisch wirksamen Material (insbeson­ dere Ferrit) aufgebracht.

Die dreidimensionale Wicklungsanordnung ist vorzugsweise mechanisch in einer Lei­ terplatte 8 montiert, wobei Wicklungsanschlüsse 9 der Wicklungen direkt mit Leiterbah­ nen dieser Leiterplatte 8 verlötet werden. Die Leiterplatte 8 trägt zusätzliche elektrische oder elektronische Bauelemente, beispielsweise Resonanzkondensatoren zur Bildung von Resonanzkreisen unter Verwendung der auf den Spulenkörpern 2, 3, 4 aufge­ brachten Wicklungen und/oder Gleichrichter/Konverter zur Aufbereitung von mittels der Wicklungen gewonnener elektrischer Energie. Eine externe Anschlußmöglichkeit der gebildeten Einheit ist durch auf der Leiterplatte 8 montierte Steckverbindungen 10 in sehr einfacher Weise gegeben.

In den Fig. 2, 3 und 4 sind ein erster, zweiter und dritter Spulenkörper in Seitenansicht dargestellt. Die Spulenkörper 2, 3 und 4 sind jeweils einstückig als Kunststoff-Spritzteile hergestellt und relativ stabil und verwindungssteif. Es ist gut zu erkennen, daß die Konturen der Innenmantelflächen der Spulenkörper derartig ausgebildet sind, daß sich an den Kreuzungsabschnitten von zwei Spulenkörpern Ausnehmungen ergeben, die ein Ineinanderstecken der Spulenkörper ohne Verformung der Wicklungen ermögli­ chen. Gleichzeitig dienen diese Ausnehmungen der Arretierung der Spulenkörper. Die Konturen der Außenmantelflächen der Spulenkörper sind derartig ausgebildet, daß sich in Randbereichen erhabene Passagen ergeben, die einen Anschlag für einen Spulen­ körper darstellen und damit eine zusätzliche Fixierung der Spulenkörper, d. h. einen Schutz vor seitlicher Verschiebung, bewirken. Insgesamt sind die Ausnehmungen und erhabenen Passagen der drei Spulenkörper derart angeordnet, daß sich auch ohne einen zusätzlichen zentralen Kern eine robuste, rüttelsichere Konfiguration ergibt. Im einzelnen zeigt Fig. 2 den äußeren bzw. dritten Spulenkörper 4 mit vier symmetrisch sich paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen 11 in der Innenmantelfläche, die zur Aufnahme der eingeführten Spulenkörper 2, 3 dienen. Die Breite b einer Ausneh­ mung entspricht der Breite b eines Spulenkörpers. Fig. 3 zeigt den mittleren bzw. zweiten Spulenkörper 3 mit zwei symmetrisch sich gegenüberliegenden Ausnehmun­ gen 12 in der Innenmantelfläche, welche zur Aufnahme des eingeführten Spulenkör­ pers 2 dienen. Die Außenmantelfläche weist zwei erhabene Passagen 13 auf, welche zum Anschlag des Spulenkörpers 4 dienen. Fig. 4 zeigt den inneren bzw. ersten Spu­ lenkörper 2 mit zwei erhabenen Passagen 14 in der Außenmantelfläche, welche zum Anschlag des Spulenkörpers 3 dienen. Die erhabenen Passagen sind derart angeord­ net, daß sich bei Anschlag eines Spulenkörpers selbsttätig eine zentrierte, symmetri­ sche Lage des Spulenkörpers einstellt.

Die Montage der Wicklungsanordnung erfolgt derart, daß in einem ersten Schritt ein bewickelter Spulenkörper 3 auf einen bewickelten Spulenkörper 2 aufgeschoben wird, wobei Spulenkörper 2 innerhalb der beiden Ausnehmungen 12 des Spulenkörpers 3 gleitet. Die beiden erhabenen Wicklungspassagen 14 des Spulenkörpers 2 dienen als Anschlag für den Spulenkörper 3. In einem zweiten Schritt wird ein bewickelter Spulen­ körper 4 auf die Konfiguration Spulenkörper 2+3 aufgeschoben, wobei diese Spulen­ körper 2, 3 innerhalb der vier Ausnehmungen 11 des Spulenkörpers 4 gleiten. Die er­ habenen beiden Passagen 13 des Spulenkörpers 3 dienen als Anschlag für den Spu­ lenkörper 4. Die derart fertiggestellte Wicklungsanordnung wird mechanisch mit der Leiterplatte 8 (bzw. mit einer Anordnung von zwei oder mehr Leiterplatten) verbunden und die Wicklungsanschlüsse 9 werden mit Leiterbahnen der Leiterplatte verlötet.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau der dreidimensionalen Wicklungsanordnung ge­ mäß zweiter Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind ebenfalls drei jeweils rechtwinklig zueinander ausgerichtete und ineinander verschachtelte Spulenkörper 15, 16, 17 vorzugsweise auf einem Kern aufgebracht. Jeder Spulenkörper 15, 16, 17 weist einen Zentralabschnitt 18 für die Bewicklung und zwei diesen zu bewickelnden Zentral­ abschnitt begrenzende Seitenabschnitte 19, 20 auf, wobei sich die Gesamtbreite eines Spulenkörpers fast über die gesamte Breite der gebildeten würfelförmigen Wicklungs­ anordnung erstreckt.

Die Ausbildung der Innenmantelflächen bzw. Außenmantelflächen von erstem bzw. innerem Spulenkörper 15, zweitem bzw. mittlerem Spulenkörper 16 und drittem bzw. äußerem Spulenkörper 17 ist wie vorstehend für die Spulenkörper 2, 3, 4 erläutert. Es ergeben sich jedoch wesentlich breitere Ausnehmungen. Die erhabenen Passagen be­ finden sich in unmittelbarer Nähe der Kanten.

Die dreidimensionale Wicklungsanordnung gemäß zweiter Ausführungsform ist vor­ zugsweise mechanisch in einer Leiterplatte 21 montiert, wobei Wicklungsanschlüsse 22 der Wicklungen direkt mit Leiterbahnen dieser Leiterplatte 21 verlötet werden. Die Lei­ terplatte 21 trägt zusätzliche elektrische oder elektronische Bauelemente, wie vorste­ hend für die erste Ausführungsform erläutert. Eine externe Anschlußmöglichkeit der gebildeten Einheit ist durch auf der Leiterplatte 21 montierte Steckverbindungen 23 in sehr einfacher Weise gegeben.

Zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bilden die auf den Spulen­ körpern angeordneten Wicklungen zusammen mit Resonanzkondensatoren jeweils Se­ rien-Resonanzkreise oder Parallel-Resonanzkreise, welche vorzugsweise an Gleich­ richter angeschlossen sind. Die Gleichrichter sind sekundärseitig jeweils mit Stützkon­ densatoren 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 Leiterplatte 8 bzw. 21 anzuordnen, wodurch ein insgesamt sehr kompakter Aufbau erzielt wird.

Claims (3)

1. Dreidimensionale Wicklungsanordnung, mit drei auf getrennten Spulenkörpern (2, 3, 4, 15, 16, 17) gewickelten Wicklungen, wobei die Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Spulenkörper (2, 3, 4, 15, 16, 17) einen Zentralabschnitt (5, 18) zur Bewicklung und zwei rechtwinklig hierzu angeordnete Seitenabschnitte (6, 7, 19, 20) zur Wicklungsbegrenzung aufweist,
daß ein erster Spulenkörper (2, 15) eine glatte Innenmantelfläche aufweist,
daß ein zweiter Spulenkörper (3, 16) eine Innenmantelflächen mit zwei abschnittsweisen, sich gegenüberliegenden Ausnehmungen (12) aufweist, deren Breite (b) der Breite des ersten Spulenkörpers (2, 15) entspricht,
daß ein dritter Spulenkörper (4, 17) eine Innenmantelfläche mit vier abschnittsweisen, sich paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen (11) aufweist, wobei die Breite der einen sich paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen der Breite (b) des ersten Spulenkörpers (2, 15) und und die Breite der anderen sich paarweise gegenüberliegenden Ausnehmungen der Breite (b) des zweiten Spulenkörpers (3, 16) entspricht,
daß erster und zweiter Spulenkörper (2, 15, 3, 16) Außenmantelflächen mit abschnittsweisen erhabenen Passagen (13, 14) aufweisen, die einen Anschlag eines aufgesteckten Spulenkörpers bewirken,
so daß sich bei dreidimensionalem Ineinanderstecken der drei bewickelten Spulenkörper (2, 3, 4, 15, 16, 17) eine symmetrische, in sich stabile Konfiguration ergibt.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (1, 2, 3) um einen Kern (1) aus einem magnetisch wirksamen Material angeordnet sind.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenzeichnet, daß die Breite (b) von erstem und zweitem Spulenkörper (2, 15, 3, 16) gleich ist.