DE102007054514A1

DE102007054514A1 - System zur Versorgung einer Vielzahl von Geräten, wie Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik

Info

Publication number: DE102007054514A1
Application number: DE102007054514A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl.-Ing. Dilger
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Es wird ein System zur Versorgung einer Vielzahl von Geräten, wie Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik, vorgeschlagen, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein Magnetfeld (1) 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. Zur Versorgung von in einem abgeschirmten Volumenbereich angeordneten Geräten ist ein Resonanzkreis (9) mit zwei räumlich verteilten Spulen (2, 5) vorgesehen, wobei die erste Spule (2) als Empfängerspule im Magnetfeld (1) positioniert ist, wobei die zweite Spule (5) als Sendespule im abgeschirmten Volumenbereich positioniert ist, wobei diese beiden getrennten Spulen (2, 5) durch eine Verbindungsleitung (3) miteinander verbunden sind, wobei die Gesamtbeschaltung unter Einbeziehung eines Resonanzkondensators (6) auf Resonanz abgestimmt ist und wobei das von der zweiten Spule (5) erzeugte lokale Magnetfeld (8) die im abgeschirmten Volumenbereich angeordneten Geräte versorgt.

Description

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.
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.

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.
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.
Aus der DE 199 26 562 A1 ist ein dementsprechendes Verfahren respektive eine Anordnung respektive ein System für eine Vielzahl von Aktoren bekannt.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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:
1, 2 zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Resonanzkreises mit räumlich verteilten Spulen,
3, 4 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der Spulen,
5a, b, c Analogien eines Resonanzkreises mit/ohne räumlich verteilter Spulen.
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.
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.
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.
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.
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.

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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19926799 A1 [0002, 0019]
- DE 19926562 A1 [0005, 0019]
- DE 10055404 A1 [0006]
- DE 102006044057 A1 [0008]

Claims

System zur Versorgung einer Vielzahl von Geräten, wie Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein Magnetfeld (1) 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, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung von in einem abgeschirmten Volumenbereich angeordneten Geräten ein Resonanzkreis (9) mit zwei räumlich verteilten Spulen (2, 5) vorgesehen ist, wobei die erste Spule (2) als Empfängerspule im Magnetfeld (1) positioniert ist, wobei die zweite Spule (5) als Sendespule im abgeschirmten Volumenbereich positioniert ist, wobei diese beiden getrennten Spulen (2, 5) durch eine Verbindungsleitung (3) miteinander verbunden sind, wobei die Gesamtbeschaltung unter Einbeziehung eines Resonanzkondensators (6) auf Resonanz abgestimmt ist und wobei das von der zweiten Spule (5) erzeugte lokale Magnetfeld (8) die im abgeschirmten Volumenbereich angeordneten Geräte versorgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Koaxialleitung (10) als Verbindungsleitung (3) verwendet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftspule (15) als erste Spule (2) und als zweite Spule (5) verwendet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule mit Ferritstab (13 + 14) als erste Spule (2) und als zweite Spule (5) verwendet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftspule (15) als erste Spule (2) und eine Spule mit Ferritstab (13 + 14) als zweite Spule (5) verwendet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule mit Ferritstab (13 + 14) als erste Spule (2) und eine Luftspule (15) als zweite Spule (5) verwendet ist.