DE102009012786A1 - Energy supplying method for e.g. proximity sensor used for building automation, involves selecting frequency of base-high frequency-alternating current voltage so that carrier impedance is increased using skin effects and/or self induction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern, die einem elektrisch leitenden Träger zuordenbar sind.The The invention relates to a method and a device for power supply from consumers to an electrically conductive carrier are assignable.
Neue Verfahren zur Übertragung von Energie und Information zu und von Sensoren oder Aktoren erfahren eine große Nachfrage. Anwendungsfelder sind beispielsweise Prozessautomatisierung und Überwachung in Industrie und Gebäudetechnik.New Method for transferring energy and information to and sensors or actuators are in great demand. Applications include process automation and monitoring in industry and building technology.
Verteilte Sensoren, die beispielsweise in Automatisierungsanlagen eingesetzt werden, sind bisher auf eine Versorgung durch Kabel, Batterien oder lokale Energiegeneratoren angewiesen. Diese Sensoren werden auf einem metallischen Träger befestigt oder in Gewindelöcher einge schraubt (beispielsweise Näherungssensoren). Oft kommt es vor, dass Sensoren neu eingerichtet werden müssen und damit ihr Montageort gewechselt werden muss. Dabei sind die fest installierten Stromversorgungen nachteilig.distributed Sensors used, for example, in automation systems are so far, on a supply by cables, batteries or instructed local energy generators. These sensors are on attached to a metallic carrier or in threaded holes screwed in (for example, proximity sensors). Often comes it suggests that sensors need to be re-set up and so that their installation site must be changed. They are solid installed power supplies disadvantageous.
Die Wandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie ist eine Energieversorgungs-Methode für Sensoren, um die Nachteile der fest installierten Stromversorgung zu vermeiden. Neben der Nutzung von Licht und mechanischen Änderungen setzen Thermowandler Temperaturgradienten in elektrische Spannungsgradienten um, Vibrationswandler nutzen akustische Schwingungen. Diese Verfahren sind jedoch nur in Nischen mit der entsprechenden vorhandenen Energieform einsetzbar. Entweder steht kein geeigneter Temperaturgradient, keine geeignete Lichteinstrahlung oder Vibration zur Verfügung oder die Nutzung ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht sinnvoll. Zudem kann keine Mindestleistung garantiert beziehungsweise nur in Einzelfällen abgeschätzt werden.The Conversion of ambient energy into electrical energy is an energy supply method for Sensors to the disadvantages of permanently installed power supply to avoid. In addition to the use of light and mechanical changes Thermo converters set temperature gradients in electrical voltage gradients um, vibration converters use acoustic vibrations. This procedure However, they are only in niches with the corresponding existing energy form used. Either there is no suitable temperature gradient, no suitable light radiation or vibration available or the use is not economically meaningful. In addition, no minimum performance can be guaranteed or only be estimated in individual cases.
Daneben sind aktive Speisungen über Licht-(Infrarot, sichtbar) und Radiowellen bekannt, die jedoch eine sichtbare bzw. ungeschirmte Anbringung eines Sensors erfordern. Für den Echtzeit-Betrieb von Funksensorik oder Aktorik wird ein Leistungsbereich von ca. 10 mW benötigt. Dieser kann nur durch eine geführte Leitung von Licht (Lichtleiter) oder eine große Gesamtleistung (WISA-System von ABB) erreicht werden. Die Firma EnOcean vertreibt bereits solarzellenbetriebene Funksensormodule und durch den mechanischen Tastendruck energetisch versorgte Funktaster für die Gebäudeautomatisierung.Besides are active feeds via light (infrared, visible) and radio waves, but which are visible or unshielded Require attachment of a sensor. For real-time operation of radio sensors or actuators, a power range of approx. 10 mW needed. This can only be guided by a Conduction of light (optical fiber) or a great overall performance (ABB's WISA system). The company EnOcean distributes already solar cell powered radio sensor modules and by the mechanical Keystroke energetically powered wireless pushbuttons for building automation.
Im Bereich der aktiven Versorgung von Sensoren sind induktive und strahlungsbasierte Energieübertragungseinrichtungen bekannt. Auch wird elektromagnetische Strahlung von einigen MHz bis GHz verwendet, um Tags oder Sensoren kontaktlos mit Energie zu versorgen. Ein bekanntes System nutzt magnetische Felder im mittleren Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis wenigen Megahertz, um ganze Fertigungszellen mit drahtloser Energie zu versorgen (WISA). Die Akzeptanz von Freiraumenergieübertragungssystemen ist nicht nur rein technisch, sondern auch psychologisch problematisch: Insbesondere für eine große Gesamtleistung, bei der die Energiedichte im Raum hoch ist, bestehen ähnliche Bedenken, auch wenn die berufsgenossenschaftlichen Grenzwerte in jedem Fall eingehalten werden.in the Area of active supply of sensors are inductive and radiation-based Energy transmission devices known. Also becomes electromagnetic Radiation from a few MHz to GHz used to tags or sensors contactlessly with energy supply. A known system uses magnetic fields in the middle frequency range of a few kilohertz to a few megahertz to complete manufacturing cells with wireless Energy supply (WISA). The acceptance of free energy transmission systems is not only purely technical, but also psychologically problematic: Especially for a great overall performance, at the energy density in the room is high, there are similar ones Concerns, even if the occupational association limits in be respected in every case.
Bisher fehlte eine breit einsetzbare, praktikable Lösung zum Betrieb von Verbrauchern, wie beispielsweise von Aktoren und von Sensoren, im Leistungsbereich von wenigen Milliwatt, die an einem metallischen Träger befestigt sind und einen Betrieb von Aktoren und Sensoren ermöglichen.So far lacked a widely deployable, workable solution for operation consumers, such as actuators and sensors, in the power range of a few milliwatts attached to a metallic carrier are fixed and allow operation of actuators and sensors.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung von zumindest einem Verbraucher zu schaffen, der einem metallischen Träger zuordenbar und der Ort des Verbrauchers auf dem metallischen Träger in einfacher Weise veränderbar ist.Of the The invention is therefore based on the object, a method and a device for supplying energy to at least one consumer to create, which can be assigned to a metallic carrier and the place of the consumer on the metallic carrier in easy way is changeable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Energieversorgung von Verbrauchern, die einem elektrisch leitenden Träger zuordenbar sind, gelöst, bei dem mit einer Betreibereinrichtung, welche zumindest einen Treiber und erste Kontakteinrichtung umfasst, an dem Träger an unter Abstand liegenden ersten Orten eine Basis-HF-Wechselspannung angelegt wird, von zumindest einem Versorgungsmodul, welches zumindest zweite Kontakteinrichtungen und zumindest eine Verbindungseinrichtung zum Anschluss von zumindest einem Verbraucher oder einen Verbraucher umfasst, an eine Oberfläche des Trägers an unter Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten liegenden zweiten Orten eine Abgriffsspannung abgegriffen wird, und die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung so gewählt ist, dass die Impedanz des Trägers unter Ausnutzung des Skineffekts und/oder der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch Treiber und den Träger zu reduzieren, und gleichzeitig die geeignete Leistung für den Betrieb des Verbraucher zu erzeugen.These The object is achieved by a method for supplying energy to an electrically conductive consumer Carriers are assigned, solved, in which with a Operating device, which at least one driver and first contact device comprises, on the carrier at spaced first Places a base RF AC voltage is applied, at least a supply module, which at least second contact devices and at least one connecting device for connecting at least a consumer or a consumer, to a surface the carrier at a distance from each other and electrically tapped between the first locations lying second locations a tap voltage and the frequency of the base RF AC voltage is selected is that the impedance of the wearer taking advantage of the Skin effect and / or self-induction in one area increased is used to reduce the current through driver and the carrier, and at the same time the appropriate performance for the operation of the consumer.
Durch dieses Verfahren wird somit ein Betrieb von Verbrauchern, insbesondere von Sensoren und Aktoren, an, auf und sogar in einem Träger durch die direkte elektrische Speisung des Trägers ermöglicht. Dieses Verfahren kann auch Skin-Effekt-Induktiv-Power-Verfahren genannt werden, bei dem die grundsätzlich nachteiligen Effekte des Skin-Effektes zusammen mit der Selbstinduktion als Vorteil für das Verfahren zur Energieversorgung des Verbrauchers genützt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energieversorgung ermöglicht somit eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nur schwer erreichbar waren. Dadurch kann auch eine Flexibilität erzielt werden, sofern erforderlich wird, dass der oder die Verbraucher, insbesondere Aktoren und Sensoren, an anderen Orten benötigt werden. Statt auf lokale Energiegeneratoren, Batterien oder neu zu verlegende Kabel zurückzugreifen, können somit solche Verbraucher über den metallischen Träger selbst elektrisch versorgt werden. Da die in vielen Anwendungsszenarien vorhandene fest installierte Metallstruktur, an der ein Sensor/Aktor befestigt ist, zur Energieübertragung genutzt wird, kann der Vorteil der hohen Leistungsdichte einer aktiven Speisung erhalten bleiben bei gleichzeitiger Einsparung einer Verkabelung. Die eingangs beschriebene Energieversorgungslücke kann somit gefüllt und eine Mindestleistung für jeden Verbraucher garantiert werden.By This method will thus become an operation of consumers, in particular of sensors and actuators, on, on and even in a carrier the direct electrical supply of the carrier allows. This procedure may also include skin effect inductive power method be called, in which the principle disadvantageous Effects of the skin effect together with self-induction as an advantage for the process of supplying energy to the consumer be used. The invention Power supply method thus allows a wireless Energy supply in places previously economical, organizational or technically difficult to reach. This can also be a Flexibility can be achieved if required the consumer (s), in particular actuators and sensors Other places are needed. Instead of local energy generators, Batteries or cables to relocate, Thus, such consumers can over the metallic Carrier itself be supplied electrically. Because in many Application scenarios existing fixed metal structure, on which a sensor / actuator is attached, used for energy transfer The advantage of the high power density of an active power supply can be preserved while saving a cabling. The energy supply gap described above can thus filled and a minimum performance for everyone Consumers are guaranteed.
Des Weiteren weist dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Energieversorgung den Vorteil auf, dass durch die Ausnutzung des Skin-Effektes auch innere Oberflächen eines Trägeres mit Verbrauchern versehen werden können, so dass beispielsweise Sensoren in metallisch vollständig abgeschirmten Umgebungen einsetzbar sind. Darüber hinaus kann durch dieses erfindungsgemäße Verfahren zumindest ein Verbraucher, insbesondere Sensoren und Aktoren, an rotierenden Maschinenteilen, die im metallischen Kontakt einen Stator besitzen, angeordnet werden.Of Further, this method of the invention to power the advantage on that by exploiting the skin effect also internal surfaces of a carrier can be provided with consumers, so for example Sensors in metallic fully shielded environments can be used. In addition, by this invention Process at least one consumer, in particular sensors and actuators, on rotating machine parts, which in metallic contact a Stator own, can be arranged.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die an dem Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird oder dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung nach einer Energieumwandlung als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. In Abhängigkeit der erforderlichen Leistung für den Verbraucher kann somit gegebenenfalls eine sehr einfache Bereitstellung erfolgen, indem die Abgriffsspannung als Versorgungsspannung verwendet wird. In anderen Fällen kann eine Energieumwandlung erfolgen, um die entsprechende Leistung für den Verbraucher bereitzustellen.To an advantageous embodiment of the method is provided that the tap voltage tapped on the carrier directly provided as a supply voltage for the consumer is or that tapped on the carrier tap voltage after an energy conversion as a supply voltage for the Consumer is provided. Depending on the required Performance for the consumer may therefore be appropriate a very easy deployment done by the tap voltage is used as supply voltage. In other cases An energy conversion can be done to the appropriate power to provide to the consumer.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger für den Verbraucher resistiv, kapazitiv oder induktiv abgegriffen wird. Dadurch kann die Flexibilität in den möglichen Anbringungsorten des Verbrauchers erhöht und an die jeweiligen Ein- oder Anbausituationen angepasst werden.A Another advantageous embodiment of the method provides that the base RF AC voltage on the carrier for the consumer is tapped resistively, capacitively or inductively. This allows flexibility in the possible Places of the consumer increased and to the respective Installation or mounting situations are adjusted.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Basis-HF-Wechselspannung eine Frequenz im Bereich von 50 Hz bis 100 MHz, vorzugsweise im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, hat. Da für die erfindungsgemäße Anwendung eine Leistungsübertragung nötig ist und für die Erzeugung von Wechselspannung elektronische Schalter nötig sind, liegt ein typischer Bereich bei 1 MHz bis 10 MHz. Hierzu stehen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFETs mit kleinen Innenwiderständen zur Verfügung.A Another advantageous embodiment of the method provides that the base RF AC voltage has a frequency in the range of 50 Hz to 100 MHz, preferably in the range of 1 MHz to 10 MHz. There for the application of the invention a Power transfer is needed and for the generation of AC voltage electronic switches needed are a typical range at 1 MHz to 10 MHz. Stand by High-frequency power MOSFETs with small internal resistance to disposal.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrenes wird für die Basis-HF-Wechselspannung eine Spannung gewählt, die kleiner als die Schutzspannung für elektrisch nicht isolierte Träger im Bereich von ≤ 24 V ist, vorzugsweise im Bereich von 5 V bis 10 V. Die Wechselspannung kann damit in vorteilhafter Weise in einen zulässigen Bereich gelegt werden.To a further advantageous embodiment of the method is selected a voltage for the base RF AC voltage, the smaller than the protection voltage for not electrically isolated carrier in the range of ≤ 24 V, preferably in the range of 5 V to 10 V. The AC voltage can thus advantageously be placed in a permissible range.
Somit kann auch eine geringe Abstrahlung von Energie in den Freiraum gegeben sein. Die Energie wird in der Metalloberfläche geleitet. Die auftretenden Spannungen sind sehr gering. Beispielsweise fallen über einem Handteller max. 0,5 V ab, die vorgesehenen 5 V bis 10 V maximaler Spannungsdifferenz verteilen sich beispielsweise auf mehrere Meter. Die einzuhaltende Schutzspannung von 24 V wird daher nie erreicht. Es ist zudem praktisch unmöglich, das System kurzzuschließen, da der metallische Träger gewissermaßen schon einen Kurzschluss darstellt. In Bezug auf die Sicherheit und psychologische Unbedenklichkeit hat die Erfindung daher eindeutige Vorteile.Consequently can also be given a low radiation of energy in the free space be. The energy is conducted in the metal surface. The occurring voltages are very low. For example, fall over one Hand plate max. 0.5V from, the provided 5V to 10V maximum Voltage differences are distributed over several meters, for example. The to be maintained protection voltage of 24 V is therefore never reached. It is also virtually impossible to short the system since the metallic carrier to a certain extent already one Short circuit represents. In terms of safety and psychological Unobjectionableness, the invention therefore has clear advantages.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Abgriffsspannung für die Energieumwandlung, insbesondere Spannungswandlung in eine Versorgungsspannung für den Verbraucher im Bereich von 0,5 V bis 24 V, vorzugsweise im Bereich von 1 V bis 3,6 V umgesetzt wird. Dieser Bereich deckt den vom Verbraucher, wie Sensoren, Aktoren und dergleichen, benötigten Bereich ab.A Another advantageous embodiment of the method provides that the tap voltage for energy conversion, in particular Voltage conversion into a supply voltage for the consumer in the range of 0.5V to 24V, preferably in the range of 1V to 3.6 V is implemented. This area covers the consumer, such as sensors, actuators and the like, required area from.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die abgegriffene Versorgungsspannung von dem Verbraucher moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung in einer Steuereinheit detektiert oder die Basis-HF-Wechselspannung von einer Steuereinheit moduliert und die Modulation in einer Detektoreinrichtung im Verbraucher detektiert.According to a further advantageous embodiment of the method, the tapped supply voltage is modulated by the consumer and detects the modulation in a detector device in a control unit or modulates the base RF AC voltage from a control unit and detects the modulation in a detector device in the consumer.
Die gewonnenen Messdaten bei Sensoren oder die Steuerdaten bei Aktoren können, wie bereits bekannt, per Funk übermittelt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Daten jedoch nicht über Funk sondern durch eine Leistungsmodulation des Sensors, beispielsweise analog zu RF-ID im Funkbereich, bei der der Verbraucher seine elektrische Last variiert und die Versorgerstation dies detektiert, übertragen. Um beispielsweise digitale Daten von dem Sensor zu einer Detektorschaltung zu übertragen, wird der Widerstand des Sensors aktiv vom Sensor geändert, und die Detektorschaltung in der Versorgungseinheit detektiert dann diesen Lastwechsel. Bei der Übertragung von Steuerdaten an die Aktoren wird die HF-Wechselspannung moduliert und damit den Aktoren/Sensoren Steuerdaten übertragen, die in einer Detektorschaltung detektiert werden.The acquired measurement data for sensors or the control data for actuators can, as already known, transmitted by radio become. In an advantageous embodiment of the invention However, the data is not transmitted by radio but by a Power modulation of the sensor, for example analogous to RF-ID in the radio range, where the load varies its electrical load and the utility station detects this, transmit. Around For example, digital data from the sensor to a detector circuit to transmit, the resistance of the sensor becomes active from Sensor changed, and detects the detector circuit in the supply unit then this load change. In the transmission of control data to the actuators, the RF AC voltage is modulated and thus the Actuators / sensors transmit control data in a detector circuit be detected.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Impedanz des Treibers pulsartig geändert wird. Dabei kann eine Spannungsänderung auf dem Träger nach Art eines DC/DC-Wandlers erfolgen. Dieser Betrieb eignet sich für die Selbstinduktion und ermöglicht, dass durch die Änderung des Stromes durch den Träger eine hohe Spannung im Träger induziert wird, die unmittelbar durch ein Versorgungsmodul abgegriffen werden kann.To a further advantageous embodiment of the method is provided that the impedance of the driver is changed in a pulse-like manner. This may be a voltage change on the carrier done in the manner of a DC / DC converter. This operation is suitable for self-induction and allows that through the change of the current through the carrier a high Voltage is induced in the carrier, directly by a Supply module can be tapped.
Analog zum Vorstehenden wird die Aufgabe durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern, die einem elektrisch leitenden Träger zuordenbar oder davon anordenbar sind, gelöst, welche eine Versorgungseinrichtung, die einen Treiber und erste Kontakteinrichtungen, die mit dem Träger elektrisch kontaktierbar sind, um an dem Träger an unter Abstand liegenden ersten Orten eine Basis-HF-Wechselspannung anzulegen, und ein Versorgungsmodul, welches zumindest zwei Kontakteinrichtungen und zumindest eine Verbindungseinrichtung zum Versorgen eines Verbrauchers umfasst, die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die zweite Kontakteinrichtungen mit einer Oberfläche des Trägers an unter Abstand zueinander und elektrisch zwischen den ersten Orten liegenden zweiten Orten elektrisch kontaktierbar und derart ausgelegt sind, um eine Abgriffsspannung an dem Träger abzugreifen und die Frequenz der Basis-HF-Wechselspannung so gewählt ist, dass die Impedanz des Trägers unter Ausnutzung des Skineffekts und der Selbstinduktion in einen Bereich erhöht wird, um den Strom durch den Treiber und den Träger zu reduzieren und gleichzeitig die geeignete Leistung am Verbraucher aufgebracht wird.Analogous For the above, the object is achieved by the invention Device for supplying energy to consumers, which is an electrical are assignable to or can be arranged by solved, which is a supply device, which is a driver and first contact means electrically connected to the carrier are contactable to the carrier at at a distance first locations to apply a base RF AC voltage and a supply module, which at least two contact devices and at least one connecting device for supplying a consumer who electrically with each other are connected, wherein the second contact means with a Surface of the carrier at a distance from each other and second locations electrically located between the first locations electrically contactable and are designed to a tap voltage to tap on the carrier and the frequency of the base RF AC voltage is chosen so that the impedance of the carrier taking advantage of the skin effect and self-induction into one Range is increased to the current through the driver and to reduce the wearer while maintaining the appropriate Performance is applied to the consumer.
Somit besteht die Vorrichtung aus einer ersten Einheit, welche den Treiber zur Bereitstellung einer Basis-HF-Wechselspannung sowie erste Kontakteinrichtungen umfasst, um die Basis-HF-Wechselspannung an dem Träger anzulegen. Des Weiteren ist eine zweite Einheit vorgesehen, welche zweite Kontakteinrichtungen und eine Verbindungseinrichtung umfasst, um daran den oder die Verbraucher wahlweise anzuschließen. Durch die zweite Kontakteinrichtung wird die bereitgestellte Basis-HF-Wechselspannung als Abgriffsspannung abgegriffen und kann für den Verbraucher bereitgestellt werden, um diesen zu betreibenConsequently the device consists of a first unit, which is the driver to provide a base RF AC voltage and first contact means includes the base RF AC voltage on the carrier to apply. Furthermore, a second unit is provided which comprises second contact devices and a connection device, to optionally connect the consumer or consumers. By the second contactor becomes the provided base RF AC voltage tapped as a tap voltage and can for the consumer be provided to operate this
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben, wobei ebenfalls die oben genannten Vorteile erzielt werden können.advantageous Embodiments of the device according to the invention are described in the dependent subclaims, while also the above advantages can be achieved.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die am Träger abgegriffene Abgriffsspannung direkt als Versorgungsspannung für den Verbrauch bereitgestellt wird oder, dass die Angriffsspannung nach einer Energieumwandlung durch zumindest einen Energiewandler als Versorgungsspannung für den Verbraucher bereitgestellt wird. Die Bereitstellung für den Verbrauch ist abhängig von der vom Verbraucher benötigten Leistung als auch der Impedanz des Trägers sowie die Leistung des Treibers.A Another preferred embodiment of the invention provides that the Tapped on the carrier tap voltage directly as a supply voltage is provided for consumption or that the attack voltage after an energy conversion by at least one energy converter provided as a supply voltage for the consumer becomes. Deployment for consumption is dependent from the power required by the consumer as well as the Impedance of the carrier and the performance of the driver.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht darauf, dass der Impedanzwandler ein Serien-Spulen-Kondensator-Schwingkreis, der resonant angesteuert ist, oder ein Hochfrequenztransformator mit hohem Übersetzungsverhältnis von vorzugsweise 1:100 ist.A further advantageous embodiment of the invention Device is based on the fact that the impedance converter is a series coil-capacitor resonant circuit, which is driven resonantly, or a high-frequency transformer with a high transmission ratio of preferably 1: 100 is.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen, also eine kabellose Energieversorgung an Orten, die bisher wirtschaftlich, organisatorisch oder technisch nicht erreichbar waren. Typische Einsatzgebiete sind verteilte Sensorik und Aktorik (allg.: Verbraucher). Strom wird nicht lokal aus Umgebungsenergie gewonnen oder durch Leitungen zum Verbraucher geleitet, sondern durch einen metallischen oder hoch leitfähigen Träger bereitgestellt. An der Oberfläche des Trägers greift das Versorgungsmodul oder der Verbraucher die Energie ab. Da an der ganzen Oberfläche die Energieversorgung zur Verfügung steht, kann der Kontaktort und damit der Ort des Verbrauchers ohne Probleme gewechselt werden. Das Versorgungsmodul beziehungsweise der Verbraucher kann auf dem Träger aufliegen oder permanent befestigt sein – etwa durch Verschraubung.The method according to the invention and the device according to the invention make it possible, that is to say a wireless power supply, to locations which hitherto could not be reached economically, organisationally or technically. Typical fields of application are distributed sensors and actuators (generally: consumers). Power is not locally recovered from ambient energy or routed through leads to the load, but provided by a metallic or highly conductive support. On the surface of the carrier, the supply module or the consumer uses the energy. Since the entire surface of the power supply is available, the place of contact and thus the place of the consumer can be changed without problems. The Supply module or the consumer can rest on the support or be permanently attached - such as by screwing.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Sensor oder ein Aktor, die auf einem metallisch leitenden Träger zu montieren sind, eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Verbrauchern beziehungsweise ein Versorgungsmodul umfasst.A Another embodiment of the invention provides that a Sensor or an actuator mounted on a metallically conductive support to be mounted, a device for supplying energy to consumers or a supply module.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnun gen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:The Invention and further advantageous embodiments and developments thereof are described below with reference to the in the Zeichnun gene illustrated examples described in more detail and explained. The description and the drawings Characteristics to be taken can be individual or applied to several in any combination according to the invention become. Show it:
Zur
Kontaktierung des Verbrauchers
Zur
Erläuterung wird beispielsweise der Fall betrachtet, dass
ein als Sensor vorgesehener Verbraucher
Soll die abgegriffene Spannung direkt genutzt werden, treten praktisch folgende Probleme dabei auf:
- 1. Die Spannung U(b1, b2) soll in einem Bereich liegen, die für Sensoren verwendbar ist (1 V oder mehr).
- 2. U(a1, a2) muss daher viel größer als U(b1, b2) gewählt werden (dies ist abhängig vom Verhältnis (a2 – a1)/(b2 – b1)).
- 3. Der Strom I(a1, a2) ist wegen der anzulegenden großen Spannung U(a1, a2) und des sehr geringen Widerstands des Träger bei Gleichspannung (sehr dicker elektrischer Leiter) R(a1, a2) ebenfalls sehr groß.
- 4. Die nötige Leistung P(a1, a2) = U^2(a1, a2)/Z(a1, a2) ist daher ebenfalls sehr groß (R wird im Bereich unter 0,001 Ohm liegen. U(a1, a2) bei 10 V bis 100 V, die Leistung daher 100 kW bis 10 MW).
- 1. The voltage U (b1, b2) should be in a range usable for sensors (1 V or more).
- 2. U (a1, a2) must therefore be chosen much larger than U (b1, b2) (this depends on the ratio (a2 - a1) / (b2 - b1)).
- 3. The current I (a1, a2) is also very large because of the large voltage to be applied U (a1, a2) and the very low resistance of the carrier at DC voltage (very thick electrical conductor) R (a1, a2).
- 4. The required power P (a1, a2) = U ^ 2 (a1, a2) / Z (a1, a2) is therefore also very large (R will be in the range below 0.001 ohms, U (a1, a2) at 10 V up to 100 V, the power therefore 100 kW to 10 MW).
Die Erfindung löst diese Problematik durch die Verwendung einer niedrigen Spannung U(a1, a2), hoher Frequenzen der Basis-HF-Wechselspannung und damit von größeren Impedanzen Z(a1, a2) unter Ausnutzung des Skin-Effekts und/oder der Selbstinduktion bei Wechselspannungen hoher Frequenzen und einer Impedanztransformationsschaltung, die die sehr kleinen Wechselspannungen U(b1, b2) bei niedrigen Impedanzen in nutzbare Spannungen bei höheren Impedanzen (ca. 2 V) transformiert.The The invention solves this problem by the use of a low voltage U (a1, a2), high frequencies of the base RF AC voltage and thus of larger impedances Z (a1, a2) under utilization the skin effect and / or the self-induction at AC voltages high frequencies and an impedance transformation circuit, the the very small alternating voltages U (b1, b2) at low impedances into usable voltages at higher impedances (about 2 V) transformed.
Da in die Leistung P(a1, a2) die Spannung quadratisch eingeht, werden die Spannungen im Bereich von ca. 1 V (bis ca. 5 V) benötigt, um die Gesamtleistung im Rahmen zu halten.There into the power P (a1, a2) the voltage is quadratic the voltages in the range of approx. 1 V (up to approx. 5 V) are required, to keep the overall performance under control.
Bei höheren Frequenzen durchfließt ein Wechselstrom effektiv nur noch die oberste Schicht des Leiters. Die Skintiefe entspricht der Dicke des Materials, das dem Widerstand bei Gleichstrom entsprechen würde. Die Skintiefe lässt sich wie folgt ausdrücken: wobei: ω = Kreisfrequenz, σ = elektrische Leitfähigkeit des Materials, f = Frequenz, μ = Magnetische Permeabilität, μ0 = Magnetische Permeabilitätskonstante des Vakuums, μr = relative magnetische Permeabilitätszahl des Materials.At higher frequencies, an alternating current effectively only flows through the top layer of the conductor. The skin depth corresponds to the thickness of the material that would correspond to the resistance at DC. The skin depth can be expressed as follows: where: ω = angular frequency, σ = electrical conductivity of the material, f = frequency, μ = magnetic permeability, μ 0 = magnetic permeability constant of the vacuum, μ r = relative magnetic permeability of the material.
Typische Skintiefen sind bei Kupfer und 50 Hz etwa 8 mm, bei 1 MHz etwa 66 μm und bei 10 MHz etwa 21 μm. Bei magnetischen Materialien wie Stahl oder Eisen mit μr >> 1 ist die Skintiefe geringer als bei unmagnetischen Materialien wie Kupfer (μr ≈ 1). Daher sind magnetische Materialien wie Stahl oder Eisen für die Träger, an denen die Sensoren angebracht und elektrisch versorgt werden, in Bezug auf den resistiven Skin-Effekt besonders geeignet.Typical skin depths are about 8 mm for copper and 50 Hz, about 66 μm for 1 MHz and about 21 μm for 10 MHz. For magnetic materials such as steel or iron with μ r >> 1, the skin depth is lower than for non-magnetic materials such as copper (μ r ≈ 1). Therefore, magnetic materials such as steel or iron are particularly suitable for the wearers on which the sensors are mounted and electrically powered with respect to the resistive skin effect.
Der
Realteil R der Impedanz ergibt sich für einen rechteckigen
Leiter mit Höhe h, Breite w und der Länge l und
einer Spannungsquelle, die über die volle Seite w angelegt
wird, zu (nach
Für eine Kupferplatte (l = 400 mm × b = 100 mm × h = 3 mm, μr = 1) ergibt sich R = 0,00104 Ohm.For a copper plate (l = 400 mm × b = 100 mm × h = 3 mm, μ r = 1) R = 0.00104 ohms.
Der Imaginärteil der Impedanz X = XL + XC wird in typischen Geometrien von der Induktivität des Leiters dominiert: XL = ωL.The imaginary part of the impedance X = X L + X C is dominated in typical geometries by the inductance of the conductor: X L = ωL.
Kapazitive Anteile XC = –1/(ωC) können auftreten, der Strom wird jedoch bei hohen Frequenzen ω vom induktiven Anteil limitiert.Capacitive components X C = -1 / (ωC) can occur, but the current is limited by the inductive component at high frequencies ω.
Die
Induktivität resultierend aus der Selbstinduktion eines
länglichen rechteckigen Leiters ist bei Vernachlässigung
des Skin-Effektes gegeben durch (siehe
Beispielsweise ist für eine Kupferplatte (l = 400 mm × w = 100 mm × h = 3 mm) als Träger L = 211 nH. Der Imaginärteil liegt für f = 1 MHz bei XL = 1,33 Ohm. Für den Beispielfall mit großer Länge l im Vergleich zu Breite b und Höhe h ist Z = (0,00104 + i1,33) Ohm, es überwiegt der induktive Anteil.For example, for a copper plate (l = 400 mm × w = 100 mm × h = 3 mm) as the carrier L = 211 nH. The imaginary part is at f = 1 MHz at X L = 1.33 ohms. For the example case with a long length l compared to width b and height h, Z = (0.00104 + 1.133) ohms, the inductive component predominates.
Bevorzugt
ist, dass die Dimension des Trägers
Sowohl der Skin-Effekt als auch die Selbstinduktion reduziert den Scheinwiderstand Z des Trägers deutlich. Der Widerstand R hängt zudem nicht mehr vom Gesamtvolumen des Trägers ab, durch den der Strom fließt, sondern nur noch von einer dünnen Oberflächenhaut des durchströmten Trägers. Diese skaliert linear mit dem Durchmesser und der Länge des Trägers. Neben der Reduktion der Wirkleistung durch R kann durch den induktiv dominierten Anteil X die Scheinleistung reduziert werden. Ist der Blindwiderstands-Anteil X groß gegenüber R, kann eine höhere Spannung durch den Verbraucher abgegriffen werden, ohne dass am Träger mehr Energie dissipiert wird. Es ist neben dem resistiven Skin-Effekt auch ein induktiver Skin-Effekt bekannt, der zu einer Verringerung der Induktivität L bei hohen Frequenzen führt.Either the skin effect as well as the self-induction reduces the impedance Z of the carrier clearly. The resistor R hangs In addition, no longer from the total volume of the carrier, through the current flows, but only from a thin one Surface skin of the perfused carrier. This scales linearly with the diameter and the length of the carrier. In addition to the reduction of active power by R can by the inductively dominated component X, the apparent power be reduced. If the reactance component X is large compared R, a higher voltage can be tapped by the consumer without dissipating more energy on the wearer. In addition to the resistive skin effect, it is also an inductive skin effect known, which contributes to a reduction of the inductance L. high frequencies.
Bei radioferngespeisten und optisch gespeisten Systemen fällt die Intensität von Licht und allgemein Strahlung quadratisch mit dem Abstand ab, und da die Energie im ganzen Raum verfügbar ist, ist die Energiedichte daher gering. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Erfindung eine Leitung der Energie durch einen beliebig geformten Träger (Platte, Stab, Balken, etc.). Die Leistung wird nur an der Oberfläche des Trägers durch den Anteil R dissipiert. Beispielsweise bedingt eine verdoppelte Länge des Stabes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung etwa eine doppelte Schein- und Wirkleistung gegenüber einer vierfachen Leistung bei doppelter Entfernung für ein strahlungsgespeistes System.at Radio-fed and optically powered systems falls the intensity of light and generally radiation square with the distance down, and energy available throughout the room is, the energy density is therefore low. In contrast, allows the invention is a conduit of energy through an arbitrarily shaped Carrier (plate, bar, beams, etc.). The performance is only on the surface of the carrier by the proportion R dissipates. For example, requires a doubled length of the rod in the device according to the invention about a double apparent and active power compared to one quadruple power at twice the distance for a radiation-fed System.
Bei
der Auslegung des Verfahrens ist die Abstimmung der Leistung des
Treibers
Es können darüber hinaus mehrere Verbraucher versorgt werden. Die Anzahl ist nur durch die verwendete Leistungsdichte bzw. benötigte Fläche pro Verbraucher begrenzt (bestimmt durch die Gesamtleistung und Gesamtoberfläche des Trägers). Die pro Verbraucher zur Verfügung stehende Leistung kann Werte erreichen, die bisher nur bei drahtgebundenen Systemen bekannt waren: Einige Milliwatt pro Quadratzentimeter scheinen realisierbar. Dadurch sind auch aktorische Anwendungen denkbar. Fern- oder umgebungsgespeiste Systeme bewegen sich eher im Mikrowattbereich.It In addition, several consumers can be supplied become. The number is only due to the power density used or required area per consumer limited (determined by the total performance and total surface area of the wearer). The per consumer available standing power can reach levels that were previously only available for wired Systems were known: a few milliwatts per square centimeter seem realizable. As a result, actuarial applications are conceivable. Remote or environmental systems tend to be in the microwatt range.
Zur
Verifikation der Erfindung wurden Simulationen mit LTspice (Quelle:
Um
an dem elektrisch leitenden Träger
In
dem Treiber
Der
Energiewandler
Der
Impedanzwandler
Die
am Träger
Die
nötigen Leistungen von 1 mW bis 10 mW pro Verbraucher
In
einem Experiment konnte nachgewiesen werden, dass an einem Mutternschlüssel
aus Chrom-Vanadium-Edelstahl, and den die beschriebene Spannung
angelegt wurde, über der Hälfte des Schlüssels
genügend Leistung abgegriffen werden kann, um eine rote
Leuchtdiode, die als Last fungierte, zum Leuchten zu bringen. Der
Werkzeugschlüssel diente somit als ein Beispiel für
einen Träger
Die zahlreichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können wie folgt zusammenfassend aufgezählt werden.
- 1. Es werden mehrere hundert Einzelversorgungen durch eine einzelne netzbetriebene Einheit ersetzt.
- 2. Der erzielbare Leistungsbereich liegt wesentlich höher als derjenige von Langzeit-Batterielösungen oder Energy-Harvesting-Verfahren. Selbst Aktoren könnten damit betrieben werden.
- 3. Der Verbraucherort ist nicht mehr vorab festgelegt. Der Träger ”ist” die Verkabelung.
- 4. Die Verbraucher können dauerhaft betrieben werden.
- 5. Es werden kleine Spannungen benötigt, es treten nur kleine Potentiale über dem Träger auf. ”Kurzschlüsse” am Träger sind praktisch ausgeschlossen, da der Träger stellt selbst diesen relativen Kurzschluss darstellt.
- 6. Die Frequenz des Systems kann so gewählt werden, dass möglichst wenig Funkabstrahlung erfolgt.
- 7. Technische Anwendungsgebiete sind: Automatisierungstechnik, Automotive Anwendungen, Strukturüberwachung, Gebäudeautomatisierung, Mikromanipulatoren, Versorgung von beweglichen Objekten, wie beispielsweise Mikroroboter, die sich beispielsweise auf einer Stahlplatte, die entsprechend versorgt wird, bewegen.
- 8. Da der Skin-Effekt an jeglicher Oberfläche auftritt, sind auch Verbraucher an inneren Oberflächen des Trägers möglich: Ein metallisch vollkommen abgeschirmter Sensor in einer Höhlung samt Kommunikation wird dadurch ermöglicht.
- 9. Soweit rotierende Maschinenteile (Rotor) metallischen Kontakt mit dem Stator besitzen, wie beispielsweise Lager jedweder Art, ist eine Energie/Daten-Übertragung auf den Rotor möglich.
- 1. Several hundred individual supplies are replaced by a single mains powered unit.
- 2. The achievable power range is much higher than that of long-term battery solutions or energy harvesting methods. Even actuators could be operated with it.
- 3. The place of consumption is no longer specified in advance. The carrier is the wiring.
- 4. Consumers can be operated permanently.
- 5. Small voltages are needed, there are only small potentials above the carrier. "Short circuits" on the carrier are virtually eliminated because the carrier itself represents this relative short circuit.
- 6. The frequency of the system can be chosen so that the least possible radio emission takes place.
- 7. Technical application areas are: automation technology, automotive applications, structural monitoring, building automation, micromanipulators, supply of moving objects, such as micro-robots, for example, move on a steel plate, which is supplied accordingly.
- 8. Since the skin effect occurs on any surface, consumers are also possible on the inner surfaces of the carrier: A fully metallic shielded sensor in a cavity including communication is thereby made possible.
- 9. As far as rotating machine parts (rotor) have metallic contact with the stator, such as bearings of any kind, an energy / data transmission to the rotor is possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- 2009-03-13 DE DE102009012786.0A patent/DE102009012786B4/en not_active Expired - Fee Related
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