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Die
Erfindung betrifft ein System zur Versorgung einer Vielzahl von
Geräten, wie Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer
Elektronik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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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 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 hierzu korrespondierende 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. 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 wird jeder Sensor respektive jeder Aktor, der sich im
Primärfeld respektive Magnetfeld befindet, an seinem Montageort
eine ausreichende Feldstärke für die Energieversorgung
vorfinden. In der Praxis wird es aber durchaus vorkommen, dass bestimmte
Volumenbereiche im Primärfeld respektive Haupt-Magnetfeld
ungenügende Feldstärkewerte aufweisen. Beispiele
für derart abgeschattete Feldbereiche sind der Fundamentbereich
bei einem Industrieroboter oder eine von Metallflächen
umgebene Nische. In diesen abgeschatteten Feldbereichen ist die
sichere und ausreichende Energieversorgung von dort befindlichen
Sensoren respektive Aktoren nicht gewährleistet.
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In
der
DE 10 2006
044 057 A1 wird ein System zur drahtlosen Versorgung einer
Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik
vorgeschlagen, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten
Oszillator gespeiste Primär wicklung ein Magnetfeld zur
drahtlosen Versorgung dieser Geräte mit elektrischer Energie
erzeugt und wobei jedes dieser Geräte mindestens eine zur
Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung
aufweist. Es wird mindestens eine Feldverstärkungs- oder
Ablenkungseinheit in das durch die Primärwicklung erzeugte
Magnetfeld mit einem gewünschten Neigungswinkel eingebracht,
wobei die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit aus
einem auf Resonanz mit dem Magnetfeld abgeglichenen ungedämpften
Schwingkreis gebildet und derart im Magnetfeld ausgerichtet ist, dass
das über den resultierenden hohen Resonanzstrom erzeugte
Hilfsfeld einen abgeschatteten Feldbereich erreicht und die dort
verfügbare Feldstärke verstärkt.
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Bei
diesem System ist es jedoch erforderlich, dass die zu versorgenden
Sensoren und/oder Aktoren (und/oder andere allgemeine Elektronik,
beispielsweise Kommunikationseinrichtungen) nicht vollständig
durch metallische Flächen abgeschirmt sind. Im Falle einer
kompletten metallischen Abschirmung kann mit der Feldverstärkungs-
oder Ablenkungseinheit in derart abgeschirmten Volumenbereichen
keine Energieversorgung erzielt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Versorgung
einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik der
eingangs genannten Art anzugeben, welches gewährleistet,
dass auch bei vollständig abgeschirmten Volumenbereichen
eine ausreichende Energieversorgung darin angeordneter Sensoren
und/oder Aktoren und/oder anderer allgemeiner Elektronik gewährleistet
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 es unter Verwendung des vorgeschlagenen Resonanzkreises mit räumlich
verteilten Spulen in einfacher Art und Weise und dem konkreten und
speziellen Anwendungsfall angepasst möglich ist, die gewünschte
magnetische Feldstärke in vollständig abgeschatteten
Feldbereichen gezielt zu erzeugen. Dabei erfolgt eine Feldtransformation
mittels des gesplitteten Resonanzkreises. Die erforderlichen Spulen
sind als fertige Komponenten produzierbar und somit ab Lager sofort
verfügbar, so dass ihr Einsatz im Bedarfsfall – d. h.
bei Anwendungsfällen mit komplett abgeschirmten Volumenbereichen – preiswert
und komplikationslos erfolgen kann.
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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
unterschiedliche Ausführungsformen eines Resonanzkreises
mit räumlich verteilten Spulen,
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3, 4 zwei
unterschiedliche Ausführungsformen der Spulen,
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5a,
b, c Analogien eines Resonanzkreises mit/ohne räumlich
verteilter Spulen.
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Wie
eingangs bereits erwähnt, wird von einem System zur drahtlosen
Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder
anderer Elektronik ausgegangen, wobei mindestens eine von einem
mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein
Haupt-Magnetfeld zur drahtlosen Versorgung der Sensoren und/oder
Aktoren und/oder anderer Elektronik mit elektrischer Energie erzeugt und
wobei jeder Sensor und/oder Aktor und/oder andere Elektronik mindestens
eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung
aufweist. Es wird hierzu auf die Ausführungen der eingangs
erwähnten
DE
199 26 799 A1 und
DE
199 26 562 A1 hingewiesen.
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5a zeigt
einen in einem solchen Haupt-Magnetfeld – siehe Feldlinien 1 dieses Haupt-Magnetfeldes – angeordneten
(Parallel-)Resonanzkreis 12, bestehend aus einer Spule 11 und einem
Resonanzkondensator 6. Es ergibt sich ein Resonanzstrom 7.
In 5b ist ein hierzu korrespondierender, im Haupt-Magnetfeld
angeordneter (Parallel-)Resonanzkreis 9 mit zwei räumlich
verteilten, hintereinander geschal teten Spulen 2, 5 gezeigt.
Der Resonanzkondensator 6 liegt parallel zu den seriengeschalteten
Spulen 2, 6. In 5c ist
eine der Anordnung gemäß 5b entsprechende
Konfiguration gezeigt, wobei jedoch eine metallische Abschirmung 4 zwischen
beiden Spulen 2, 5 vorhanden ist. Lediglich der
Volumenbereich oberhalb der Abschirmung 4 mit der Spule 2 liegt
im Haupt-Magnetfeld mit den Feldlinien 1. Im Volumenbereich
unterhab der Abschirmung wird durch die Spule 5 – in
welcher der Resonanzstrom 7 fließt – ein
Neben-Magnetfeld (lokales Magnetfeld) – siehe Feldlinien 8 dieses
Neben-Magnetfeldes – erzeugt.
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5c zeigt
bereits deutlich auf, wie durch einen Resonanzkreis mit räumlich
verteilten Spulen (gesplitteter Resonanzkreis) ein lokales Magnetfeld zur
Versorgung von in einem vom Haupt-Magnetfeld komplett abgeschirmten
Volumenbereich angeordneten Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik
erzeugt werden kann. Im einfachsten Fall wird ein Parallelresonanzkreis 9 mit
zwei in Serie geschalteten Spulen 2, 5 verwendet,
wobei die räumlich getrennten Spulen 2, 3 durch
eine Verbindungsleitung, beispielsweise eine Koaxialleitung, miteinander verbunden
sind. Die Gesamtbeschaltung ist auf Resonanz abgestimmt (beispielsweise
durch automatischen Abgleich). Eine dieser Spulen – die „Empfängerspule",
hier Spule 2 – wird im Haupt-Magnetfeld optimal
positioniert – es fließt somit ein Resonanzstrom
durch die Gesamtanordnung. Dieser Resonanzstrom erzeugt in der zweiten
Spule – der „Sendespule", hier Spule 5 – ein
Magnetfeld, welches zur Speisung eines oder mehrerer Sensoren und/oder Aktoren
und/oder anderer Elektronik im abgeschirmten Volumenbereich dient.
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In
den 1 und 2 sind zwei unterschiedliche
Ausführungsformen eines Resonanzkreises 9 mit
räumlich verteilten Spulen schematisch dargestellt. Es
sind die Empfängerspule 2, die Sendespule 5 und
die beide Spulen 2, 5 miteinander verbindende,
die metallische Abschirmung 4 durchstoßende Verbindungsleitung 3 inklusive
Resonanzkondensator 6 der Gesamtschaltung zu erkennen.
Durch die Gesamtanordnung fließt der Resonanzstrom 7. Aus
dem durch die Feldlinien 1 gekennzeichneten Haupt-Magnetfeld
wird mittels der Spule 2 Energie entnommen, welche zur
Erzeugung eines durch die Feldlinien 8 gekennzeichneten
Neben-Magnetfeldes dient. Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform gemäß 1 lediglich
durch Verwendung einer Koaxialleitung 10 als Verbindungsleitung zwischen
den beiden Spulen 2, 5. Die Länge der
Verbindungsleitung kann in beiden Fällen mehrere Meter
betragen, wobei der Leitungsquerschnitt entsprechend der Höhe
des Resonanzstroms zu bemessen ist, um geringe Verluste zu produzieren.
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Zur
Umsetzung des Resonanzkreises mit räumlich verteilten Spulen 2, 5 können
sowohl Luftspulen als auch Spulen mit Ferritstab als auch Kombinationen
beider Ausführungsformen verwendet werden, d. h.
- – beide Spulen 2, 5 sind
als Luftspulen ausgebildet oder
- – beide Spulen 2, 5 sind als Spulen
mit Ferritstab ausgebildet oder
- – Spule 2 ist als Luftspule und Spule 5 ist
als Spule mit Ferritstab ausgebildet oder
- – Spule 5 ist als Luftspule und Spule 2 ist
als Spule mit Ferritstab ausgebildet.
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In
den 3 und 4 sind zwei unterschiedliche
Ausführungsformen der Spulen dargestellt und zwar
- – sind bei der Ausführungsform
gemäß 3 beide Spulen 2, 5 in
Form von Spulen mit Ferritstab ausgebildet, d. h. es ist jeweils
eine einen Ferritstab 14 umschließende Wicklung 13 vorgesehen,
- – sind bei der Ausführungsform gemäß 4 beide
Spulen 2, 5 in Form von Luftspulen 15 ausgebildet.
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- 1
- Feldlinien
des Haupt-Magnetfeldes
- 2
- erste
Spule (Empfängerspule)
- 3
- Verbindungsleitung
- 4
- metallische
Abschirmung
- 5
- zweite
Spule (Sendespule)
- 6
- Resonanzkondensator
- 7
- Resonanzstrom
- 8
- Feldlinien
des Neben-Magnetfeldes (lokales Magnetfeld)
- 9
- Resonanzkreis
mit räumlich verteilten Spulen
- 10
- Koaxialleitung
- 11
- Spule
- 12
- Resonanzkreis
- 13
- Wicklung
- 14
- Ferritstab
- 15
- Luftspule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19926799
A1 [0002, 0019]
- - DE 19926562 A1 [0005, 0019]
- - DE 10055404 A1 [0006]
- - DE 102006044057 A1 [0008]