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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Energiespeisevorrichtung mit einer
zwei- oder mehrdimensionalen Wicklungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur drahtlosen Energieeinspeisung
von Sensoren und Aktoren oder auch beliebig anderer Elektronik verwendet
werden.
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Aus
der
DE 199 26 799
A1 sind ein Verfahren respektive eine Anordnung respektive
ein System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Näherungssensoren
(z. B. an einer Maschine, insbesondere Fertigungsautomat montiert)
bekannt,
- – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste
Primärwicklung
vorgesehen ist, welche ein mittelfrequentes Magnetfeld erzeugt,
um derart Näherungssensoren
drahtlos mit elektrischer Energie zu versorgen (Primärfeld),
- – wobei
jeder Näherungssensor
mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld
geeignete Sekundärwicklung
aufweist,
- – wobei
jeder Näherungssensor
mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende
Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale,
mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung abgibt.
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Für die Erzeugung
des Magnetfeldes (Primärfeld)
dienen zwei oder drei orthogonal zueinander angeordnete Primärwicklungen.
Zusätzlich
kann zur Realisierung einer „Spot- Wirkung" mindestens eine,
mindestens eine Sekundärwicklung
eines Näherungssensors
lokal beeinflussende Primärwicklung vorgesehen
sein.
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Die
Näherungssensoren
sind vorzugsweise mit zwei oder drei zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten
Magnetfeld geeigneten orthogonalen Sekundärwicklungen versehen, welche
mit einem Resonanzkondensator und mit einem AC/DC-Steller beschaltet
sind, welcher einen Energiespeicher auflädt.
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Aus
der
DE 199 26 562
A1 ist ein dementsprechendes Verfahren respektive eine
Anordnung respektive ein System für eine Vielzahl von Aktoren bekannt.
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Aus
der
DE 100 55 404
A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie
aus einem Magnetfeld bekannt, mit einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung,
gebildet aus einem zentralen, kubusförmigen Kern aus einem magnetisch
wirksamen Material, auf welchem mindestens drei Wicklungen aufgebracht
sind, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet
sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Der Kern kann
Nuten zur Aufnahme der Wicklungen aufweisen. Jede der drei Wicklungen
ist mit einem Resonanzkondensator zu einem Resonanzkreis verschaltet
und mit einem Gleichrichter verbunden, an welchem die verfügbare Ausgangsleistung
abgenommen werden kann.
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Im
Idealfall ist die Kopplung zwischen den orthogonal angeordneten
Wicklungen Null, in der Praxis treten bedingt durch Unsymmetrien
in den Wicklungen und/oder im Kern (Ferritkern) jedoch immer Kopplungen
zwischen den Wicklungen auf. Beispielsweise treten Wicklungs-Unsymmetrien
durch Toleranzen beim Litzen-Durchmesser auf. Eine homogene Wicklungstechnik
ist schon deshalb nicht erzielbar. Gemessen werden kann die Kopplung
z. B., indem in jeweils eine Wicklung ein sinusförmges Einspeisesignal eingespeist
wird und an den beiden anderen Wicklungen das Ausgangssignal gemessen wird.
Das Verhältnis
Ausgangssignal zu Einspeisesignal ist ein Maß für die Kopplung. Werte für die Kopplung
liegen in der Größenordnung
von 0,2 bis 0,7%. Diese im Realfall stets vorhandenen Kopplungen
bewirken eine drastische Reduktion der erzielbaren Ausgangsleistung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeisevorrichtung
mit einer zwei- oder mehrdimensionalen Wicklungsanordnung anzugeben,
bei welcher die Kopplung zwischen den Wicklungen möglichst
klein ist.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch die Überwachungseinrichtung
die während
einer betrachteten Zeitspanne passiven Resonanzwicklungen selektiv kurzgeschlossen
oder alternativ dynamisch belastet werden, wodurch gleichzeitig
die störenden
Kopplungen zwischen den Resonanzwicklungen eliminiert werden. Hierdurch
ergibt sich eine wesentliche Heraufsetzung der Leistung, welche
der Energiespeisevorrichtung entnehmbar ist.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1, 2 zwei
alternative Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur drahtlosen Energieeinspeisung von Sensoren
und/oder Aktoren,
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3, 4 zwei
alternative Ausführungsformen
einer Überwachungseinrichtung,
-
5 ein
Beispiel für
eine dynamische Belastung.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
einer Vorrichtung zur drahtlosen Energieeinspeisung von Sensoren
und/oder Aktoren dargestellt. Es sind zwei oder drei orthogonal
zueinander angeordnete, auf einem nicht dargestellten Kern (Ferritkern)
befindliche Wicklungen zu erkennen, und zwar
- • eine erste
Resonanzwicklung 1 (X-Wicklung) mit hierzu parallel geschaltetem
Resonanzkondensator 4,
- • eine
zweite Resonanzwicklung 2 (Y-Wicklung) mit hierzu parallel
geschaltetem Resonanzkondensator 5,
- • eine
dritte Resonanzwicklung 2 (Z-Wicklung) mit hierzu parallel
geschaltetem Resonanzkondensator 6.
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Der
erste Anschluss des ersten Resonanzkreises 1 + 4 ist über eine
erste Gleichrichterdiode 7 mit einem ersten Stützkondensator 10 und
mit dem ersten Eingang (x-Kanal) einer Überwachungseinrichtung 13 verbunden.
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Der
erste Anschluss des zweiten Resonanzkreises 2 + 5 ist über eine
zweite Gleichrichterdiode 8 mit einem zweiten Stützkondensator 11 und
mit dem zweiten Eingang (y-Kanal)
der Überwachungseinrichtung 13 verbunden.
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Der
erste Anschluss des dritten Resonanzkreises 3 + 6 ist über eine
dritte Gleichrichterdiode 9 mit einem dritten Stützkondensator 12 und
mit dem dritten Eingang (z-Kanal) der Überwachungseinrichtung 13 verbunden.
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Die
jeweils zweiten Anschlüsse
der drei Resonanzkreise 1 + 4, 2 + 5, 3 + 6 sind
mit den weiteren Anschlüssen
der drei Stützkondensatoren 10, 11, 12 verbunden
und bilden den Masseanschluss. An der Lastanschlussklemme 14 der Überwachungseinrichtung 13 ist
eine Last 15 angeschlossen, wobei eine Nutzgleichspannung
zwischen Lastanschlussklemme 14 und Masse anliegt.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
einer Vorrichtung zur drahtlosen Energieeinspeisung von Sensoren
und/oder Aktoren dargestellt. Diese alternative Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 1 lediglich
dadurch, dass die Resonanzwicklungen 1 bzw. 2 bzw. 3 der
Resonanzkreise 1 + 4 bzw. 2 + 5 bzw. 3 + 6 jeweils
mit Sekundärwicklungen 16 bzw. 17 bzw. 18 transformatorisch
gekoppelt sind, welche an die durch Gleichrichterdiode 7 +
Stützkondensator 10 bzw.
Gleichrichterdiode 8 + Stützkondensator 11 bzw.
Gleichrichterdiode 9 + Stützkondensator 12 gebildeten
Einspeiseschaltungen angeschlossen sind.
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In 3 ist
eine erste Ausführungsform
einer Überwachungseinrichtung
dargestellt. Die Überwachungseinrichtung 13.1 enthält drei
Entkopplungsdioden 23, welche den x-Kanal, den y-Kanal und den z-Kanal direkt
zur Lastanschlussklemme 14 führen. Die am x-Kanal bzw. am
y-Kanal bzw. am z-Kanal anstehenden Spannung UX bzw. UY bzw. UZ
wird den Eingängen
einer Steuerelektronik 19 zugeführt. Die Steuerelektronik 19 vergleicht
diese Spannungen UX, UY, UZ mit einer Referenzspannung UREF. Ausgangsseitig
steuert die Steuerelektronik 19 drei Schalter 20 bzw. 21 bzw. 22 an,
welche die eingansseitigen Kanäle
der Überwachungseinrichtung 13 kurzschließen respektive
auf Masse legen können,
- • wodurch
der x-Kanal auf Masse gelegt wird (kurzgeschlossen wird), sobald
UX < UREF,
- • wodurch
der y-Kanal auf Masse gelegt wird (kurzgeschlossen wird), sobald
UY < UREF,
- • wodurch
der z-Kanal auf Masse gelegt wird (kurzgeschlossen wird), sobald
UZ < UREF.
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Somit
wird die Leistungsreduktion über
die störende
Kopplung ausgeschaltet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird
beispielhaft das Kriterium „Spannung" herangezogen, allgemein
gesprochen entscheidet die Steuerelektronik 19 unter Beachtung
des vorgegebenen Kriteriums, welcher Resonanzkreis kurzgeschlossen
wird. Außer
dem Kriterium
- • „Spannung am Ausgang des Resonanzkreises" eignet sich die
Kriterien
- • „Strom
am Ausgang des Resonanzkreises" oder
- • „Leistung
am Ausgang des Resonanzkreises".
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In 4 ist
eine zweite Ausführungsform
einer Überwachungseinrichtung
dargestellt. Die alternative Überwachungseinrichtung 13.2 weist
drei dynamische Belastungen 24 bzw. 25 bzw. 26 auf – z. B. Spannungswandler –, an deren
Eingänge
der x-Kanal bzw. der y-Kanal bzw. der z-Kanal angeschlossen sind
und deren Ausgänge
gemeinsam mit der Lastanschlussklemme 14 verbunden sind.
Ferner sind die drei dynamischen Belastungen mit dem Massepotential
verbunden.
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In 5 ist
ein Beispiel für
eine dynamische Belastung gezeigt. Die dynamische Belastungen 24, 25, 26 haben
die Aufgabe, einen konstanten, minimalen Strom aus dem Resonanzkreis
zu ziehen, siehe z. B. Resonanzkreis mit Resonanzkondensator 4 + Resonanzwicklung 1 +
Gleichrichterdiode 7 in 5. Zwischen
den Ausgangsklemmen des Resonanzkreises liegt eine nicht variable
Stromsenke 27 der dynamischen Belastung 24. In
Reihe zur Lastanschlussklemme 14 liegt eine variable Stromsenke 28 der
dynamischen Belastung 24:
- • Bei relativ
kleiner Eingangsleistung am x-Kanal, y-Kanal oder z-Kanal respektive
des Resonanzkreises hat der minimale Strom über die nicht variable Stromsenke 27 zur
Folge, dass nahezu ein Kurzschluss des Eingangs vorliegt.
- • Bei
relativ großer
Eingangsleistung am x-Kanal, y-Kanal oder z-Kanal respektive des
Resonanzkreises hat dies nur einen relativ kleinen Strom über die
nicht variable Stromsenke 27 zur Folge, welcher nahezu
keine Auswirkung auf die am Ausgang verfügbare Leistung hat. Der zur
Lastanschlussklemme 14 fließende Laststrom wird mittels
der variablen Stromsenke 28 geregelt.
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Für beide
vorstehend erläuterten
Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 gilt,
- • dass
die einzelnen Beträge
der drei Resonanzwicklungen zur Energiegewinnung getrennt erfasst
werden und
- • dass
die hierzu eingesetzten Verfahren bzw. Vorrichtungen (Steuerelektronik 19)
dynamisch reagieren müssen
und können,
da die vorstehend erwähnten
einzelnen Beiträge
durch unter Umständen
stetig wechselnde Ausrichtung im speisenden Feld (z. B. bei Montage
der Wicklungsanordnung inklusive Sensor oder Aktor auf dem Arm eines Fertigungsroboters)
beliebige und wechselnde Werte annehmen können.
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Somit
ist für
beide alternative Ausführungsformen
der Überwachungseinrichtung 13.1 und 13.2 gemäß den 3 und 4 gewährleistet,
dass diejenigen Resonanzwicklungen ausgeschaltet werden, welche
während
einer betrachteten Zeitspanne Δt keinen
Beitrag für
die Energieeinspeisung liefern, jedoch durch störende Kopplung mit der in der
betrachteten Zeitspanne Δt
energieliefernden Resonanzwicklung die mögliche Leistungs einspeisung
reduzieren. Es wird somit vorteilhaft die Leistungsreduktion durch
die störende
Kopplung der nicht im Feld liegenden Wicklungen ausgeschaltet.
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- 1
- erste
Resonanzwicklung (X-Wicklung) inkl. Wicklungswiderstand
- 2
- zweite
Resonanzwicklung (Y-Wicklung) inkl. Wicklungswiderstand
- 3
- dritte
Resonanzwicklung (Z-Wicklung) inkl. Wicklungswiderstand
- 4
- erster
Resonanzkondensator
- 5
- zweiter
Resonanzkondensator
- 6
- dritter
Resonanzkondensator
- 7
- erste
Gleichrichterdiode
- 8
- zweite
Gleichrichterdiode
- 9
- dritte
Gleichrichterdiode
- 10
- erster
Stützkondensator
- 11
- zweiter
Stützkondensator
- 12
- dritter
Stützkondensator
- 13
- 13.1, 13.2 Überwachungseinrichtung
- 14
- Lastanschlussklemme
(Nutzgleichspannung)
- 15
- Last
- 16
- erste
Sekundärwicklung
- 17
- zweite
Sekundärwicklung
- 18
- dritte
Sekundärwicklung
- 19
- Steuerelektronik
- 20
- erster
Schalter
- 21
- zweiter
Schalter
- 22
- dritter
Schalter
- 23
- Entkopplungsdioden
- 24
- dynamische
Belastung (z. B. Spannungswandler)
- 25
- dynamische
Belastung (z. B. Spannungswandler)
- 26
- dynamische
Belastung (z. B. Spannungswandler)
- 27
- nicht
variable Stromsenke
- 28
- variable
Stromsenke
- UX
- Spannung
am x-Kanal
- UY
- Spannung
am y-Kanal
- UZ
- Spannung
am z-Kanal
- UREF
- Referenzspannung
- Δt
- betrachtete
Zeitspanne