DE102010001484A1

DE102010001484A1 - Übertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und Daten, Übertragungssystem und Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung und Datenübertragung

Info

Publication number: DE102010001484A1
Application number: DE102010001484A
Authority: DE
Inventors: Paul Frohn; Albert Dornreich
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Es wird eine Übertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und von Daten bereitgestellt, umfassend eine Energiespuleneinrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung mittels eines elektromagnetischen Energiefelds und eine Datenspuleneinrichtung mit mindestens einer Datenspule zur kontaktlosen Datenübertragung, wobei eine Kompensationsspuleneinrichtung mit mindestens einer Kompensationsspule vorgesehen ist, welche durch das Energiefeld, welches auf die Energiespuleneinrichtung wirkt oder von dieser erzeugt ist, beaufschlagt ist, wobei die mindestens eine Kompensationsspule so angeordnet und ausgebildet ist und so an die mindestens eine Datenspule gekoppelt ist, dass der Einfluss des Energiefeldes auf die mindestens eine Datenspule mindestens teilweise durch die mindestens eine Kompensationsspule kompensiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und von Daten, umfassend eine Energiespuleneinrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung mittels eines elektromagnetischen Energiefelds und eine Datenspuleneinrichtung mit mindestens einer Datenspule zur kontaktlosen Datenübertragung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Übertragungssystem.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung und Datenübertragung.
Aus der EP 1 705 673 B1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Energie- und Datenübertragung bekannt, bei dem eine mindestens eine Datenwindung einer Datenwicklung und mindestens eine Energiewindung einer Energiewicklung derart umschließt, dass ein erster Teil der Datenwindung mit dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist und ein zweiter Teil der Datenwicklung entgegen dem Wicklungssinn der Energiewicklung gewickelt ist.
Aus der DE 10 2007 006 394 B4 ist ein induktiver Drehübertrager zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie zwischen einem stationären und einem rotierendem Teil bekannt. Es ist eine Messeinrichtung vorgesehen, welche zumindest eine elektrische Kenngröße, wie eine Spannung, ein Strom, ein Phasenwinkel, der von einem Leistungsgenerator in eine Primärseite des Leistungsübertragers eingespeisten elektrischen Energie ermittelt. Eine Funktionseinheit steuert den Leistungsgenerator und Zuhilfenahme der mindestens einen elektrischen Kenngröße.
Aus der WO 2009/033573 A1 ist eine Koppeleinrichtung mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil bekannt, die relativ zueinander um eine Achse drehbar gelagert sind. Eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung bilden ein induktives Koppelelement, wobei die Primärwicklung am ersten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist und die Sekundärwicklung am zweiten Gehäuseteil konzentrisch zur Achse angeordnet ist. Am ersten Gehäuseteil ist eine elektrisch leitfähige Fläche als erste Koppelfläche ausgebildet und am zweiten Gehäuseteil ist eine elektrisch leitfähige Fläche als zweite Koppelfläche ausgebildet. Diese bilden zusammen ein kapazitives Koppelelement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Übertragungsvorrichtung und ein Übertragungssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich zusätzlich zu einer kontaktlosen induktiven Energieübertragung auch Daten mit hohen Datenraten induktiv übertragen lassen.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Übertragungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Kompensationsspuleneinrichtung mit mindestens einer Kompensationsspule vorgesehen ist, welche durch das Energiefeld, welches auf die Energiespuleneinrichtung wirkt oder von dieser erzeugt ist, beaufschlagt ist, wobei die mindestens eine Kompensationsspule so angeordnet und ausgebildet ist und so an die mindestens eine Datenspule gekoppelt ist, dass der Einfluss des Energiefelds auf die mindestens eine Datenspule mindestens teilweise durch die mindestens eine Kompensationsspule kompensiert ist.
Das Energiefeld sorgt für die induktive Energieübertragung von einer Energiespuleneinrichtung einer Übertragungsvorrichtung zu der Energiespuleneinrichtung einer anderen Übertragungsvorrichtung. Dieses Energiefeld weist eine hohe Feldstärke auf. Das Energiefeld induziert an einer Datenspule eine Spannung. Diese Spannung überlagert sich mit dem eigentlichen Datensignal und kann zu einer Störung führen. Aufgrund der induktiven Überlagerung kann eine solche induzierte Spannung in der Regel auch nicht durch Signalauswertung eliminiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Kompensationsspuleneinrichtung vorgesehen, welche ebenfalls von dem Energiefeld beaufschlagt ist. An der mindestens einen Kompensationsspule der Kompensationsspuleneinrichtung wird ebenfalls eine Spannung induziert. Durch entsprechende Ausbildung und Positionierung der Kompensationsspuleneinrichtung relativ zu der mindestens einen Datenspule können die an der mindestens einen Datenspule und der mindestens einen Kompensationsspule induzierten Spannungen entgegenwirken. Wenn die Ausbildung und Anordnung derart ist, dass die durch das Energiefeld induzierten Spannungen an der mindestens einen Datenspule und an der mindestens einen Kompensationsspule mindestens näherungsweise die gleiche Größe haben, lässt sich der Einfluss des Energiefelds auf die Datenübertragung zumindest verringern. Eine vollständige Elimination ist in der Regel nicht notwendig.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Einfluss des induktiven Energiefelds auf die Datenübertragung verringert. Dies wiederum ermöglicht eine hohe Rate für die Datenübertragung.
Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung kann dabei sowohl als Energiefeldsender (Energiefelderzeuger) als auch als Energiefeldempfänger ausgebildet sein oder eingesetzt sein. Sie kann sowohl als Datensender als auch als Datenempfänger eingesetzt sein.
Günstig ist es, wenn Windungszahlen der mindestens einen Kompensationsspule und der mindestens einen Datenspule und die Position der mindestens einen Kompensationsspule und der mindestens einen Datenspule angepasst sind zur Energiefeldkompensation. Durch entsprechende Anordnung und Ausbildung lässt sich dadurch eine mindestens teilweise Kompensation erreichen, um eine Datenübertragung mit hoher Datenrate realisieren zu können. Vorzugsweise ist die Anpassung derart, dass der Einfluss des Energiefelds auf die mindestens eine Kompensationsspule in die gleiche Richtung geht wie der Einfluss des Energiefelds auf die mindestens eine Datenspule, wenn ein Abstand zwischen einer ersten Übertragungsvorrichtung und einer zweiten Übertragungsvorrichtung variiert wird. Dadurch ist die Energiefeldkompensation zumindest in gewissen Grenzen mindestens näherungsweise unabhängig von dem Abstand zwischen der ersten Übertragungsvorrichtung und der zweiten Übertragungsüberrichtung.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Kompensationsspule ein Kompensationssignal bereitstellt, welches für die Ansteuerung der Datenspule und/oder für die Auswertung von Signalen der Datenspule verwendet wird. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die mindestens eine Datenspule und die mindestens eine Kompensationsspule antiseriell geschaltet, das heißt die mindestens eine Datenspule und die mindestens eine Kompensationsspule sind direkt ”hardwaremäßig” aneinander gekoppelt. Dies lässt sich auf einfache Weise erreichen, wenn die mindestens eine Datenspule und die mindestens eine Kompensationsspule entgegengesetzten Windungssinn aufweisen. Dadurch werden an der mindestens einen Datenspule und der mindestens einen Kompensationsspule durch das Energiefeld Induktionsspannungen mit entgegengerichtetem Vorzeichen erzeugt. Durch die serielle Schaltung entsteht dadurch mindestens eine Teilkompensation. Eine weitergehende Ansteuerung bzw. Auswertung zur Kompensation ist dann nicht notwendig.
Insbesondere weisen die mindestens eine Kompensationsspule, eine oder mehrere Energiespulen der Energiespuleneinrichtung und die mindestens eine Datenspule parallele und insbesondere koaxiale Spulenachsen auf.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens eine Kompensationsspule bezogen auf eine Übertragungsseite der Übertragungsvorrichtung vor der Energiespuleneinrichtung positioniert ist. Die mindestens eine Kompensationsspule ist dadurch einem starken Feld ausgesetzt. Dies wiederum ermöglicht es, eine Kompensationsspule mit einer geringen Zahl von Windungen (im Extremfall genau einer Windung) bereitzustellen. Dadurch ist unter mindestens teilweiser Kompensation des Einflusses des Energiefeldes auf die mindestens eine Datenspule der direkte Einfluss der Kompensationsspule auf die Datensendung bzw. den Datenempfang minimiert.
Insbesondere weist die Energiespuleneinrichtung einen Kern (insbesondere Ferritkern) auf, an welchem mindestens eine Energiespule angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine hohe Energiedichte übertragen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kern ein Schalenkern. Dadurch lässt sich gerichtet eine hohe Energiedichte übertragen.
Es ist günstig, wenn der Kern eine Stirnseite aufweist, welche zu einer Übertragungsseite weist, und die mindestens eine Kompensationsspule an oder in der Nähe der Stirnseite angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Kompensationsspule in einem Bereich positionieren, in welchem eine hohe Feldstärke herrscht.
Insbesondere ist die mindestens eine Kompensationsspule an einem Ringbereich eines Schalenkerns angeordnet. Dadurch lässt sich diese zum einen mit einem Feld einer hohen Feldstärke beaufschlagen und zum anderen wird die Energieübertragung durch die mindestens eine Kompensationsspule minimal beeinflusst.
Insbesondere ist die mindestens eine Datenspule um den Kern angeordnet und beispielsweise um diesen gewickelt. Dadurch lässt sich die mindestens eine Datenspule in einem Bereich mit relativ kleiner Stärke des Energiefelds anordnen, sodass a priori der Einfluss des Energiefelds auf die mindestens eine Datenspule verringert ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Datenspule an einem Folienträger angeordnet. Die mindestens eine Datenspule lässt sich dadurch auf einfache Weise herstellen, indem beispielsweise gerade Leiterbahnen auf dem Folienträger hergestellt werden, beispielsweise durch ein Printverfahren. Der Folienträger wird dann um einen Halter für eine Energiespule, welche insbesondere ein Schalenkern ist, gewickelt.
Bei einer Ausführungsform ist die mindestens eine Kompensationsspule an einem Scheibenelement angeordnet. Das Scheibenelement ist eine Platine für die Kompensationsspule.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Scheibenelement Öffnungen aufweist. Wenn die mindestens eine Kompensationsspule bezüglich der Energiespuleneinrichtung positioniert ist, dann kann ein Vergießen mit einer Vergussmasse durch die Öffnungen des Scheibenelements hindurch erfolgen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Scheibenelement einstückig mit einem Träger für die mindestens eine Datenspule verbunden ist. Dadurch lässt sich eine entsprechende Übertragungsvorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise herstellen. Die Anzahl der Montageschritte ist minimiert.
Insbesondere ist das Scheibenelement quer und vorzugsweise rechtwinklig zu einem Träger für die mindestens eine Datenspule orientiert. Dadurch lässt sich die Datenspule gewissermaßen um einen Kern wickeln und der Kern, insbesondere ein Schalenkern, lässt sich nach vorne über das Scheibenelement schließen.
Günstig ist es, wenn ein Windungsdurchmesser der mindestens einen Datenspule größer ist als ein Windungsdurchmesser an einer Energiespule der Energiespuleneinrichtung. Dadurch Lässt sich insbesondere die Datenspule an einem Energiefeldbereich mit relativ geringer Feldstärke positionieren.
Es ist dann günstig, wenn ein Windungsdurchmesser der mindestens einen Kompensationsspule zwischen einem Windungsdurchmesser der mindestens einen Datenspule und einem Windungsdurchmesser einer Energiespule der Energiespuleneinrichtung liegt. Die mindestens eine Kompensationsspule lässt sich dadurch in einem Bereich großer Stärke des Energiefelds positionieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine Kompensationsspule genau eine Windung auf. Dadurch lässt sich der direkte Einfluss der mindestens einen Kompensationsspule auf die Datenspule minimieren.
Entsprechend ist es günstig, wenn die mindestens eine Datenspule eine Mehrzahl von Windungen aufweist und insbesondere eine Anzahl von Windungen aufweist, welche deutlich (Faktor 2 oder mehr) an Windungen aufweist als die mindestens eine Kompensationsspule. Dadurch ist der direkte Einfluss der mindestens einen Kompensationsspule auf die mindestens eine Datenspule minimierbar.
Günstigerweise erfolgt die Datenübertragung durch modulierte Signale. Beispielsweise werden Daten auf ein Hochfrequenzsignal aufmoduliert und übertragen. Die Modulation kann eine Amplitudenmodulation (ASK – amplitude shift keying), Frequenzmodulation (FSK – frequency shift keying), Phasenmodulation (PSK – phase shift keying) oder eine Mischform sein.
Günstig ist es, wenn die mindestens eine Datenspule in einem Bereich angeordnet ist, in welchem die Stärke des Energiefelds geringer ist als in einem Bereich, in dem die mindestens eine Kompensationsspule angeordnet ist. Dadurch lässt sich die mindestens eine Kompensationsspule im Vergleich zu der Datenspule mit einer geringeren Anzahl von Windungen ausbilden. Der direkte Einfluss der Kompensationsspule außerhalb der Energiefeldkompensation auf die mindestens eine Datenspule ist dadurch wiederum minimiert.
Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung kann als Energiefeldempfänger oder Energiefeldsender ausgebildet oder eingesetzt sein.
Insbesondere ist eine bidirektionale Datenübertragung vorgesehen. Dadurch können Daten von der einen Übertragungsvorrichtung auf eine andere Übertragungsvorrichtung gesendet werden und umgekehrt kann die eine Übertragungsvorrichtung von der anderen Übertragungsvorrichtung Daten empfangen.
Eine erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung lässt sich insbesondere zur Energieversorgung eines Sensors und zum Datenaustausch mit dem Sensor verwenden. Der Sensor kann Sensorsignale bereitstellen, welche über eine Übertragungsvorrichtung drahtlos übertragen werden.
Insbesondere wird die Übertragungsvorrichtung als Datensender und/oder Datenempfänger verwendet.
Insbesondere weist die mindestens eine Datenspule einen einheitlichen Windungssinn auf. Ferner weist die mindestens eine Kompensationsspule einen einheitlichen Windungssinn auf. Dadurch lassen sich die Datenspuleneinrichtung und die Kompensationsspuleneinrichtung auf einfache Weise herstellen.
Ein erfindungsgemäßes Übertragungssystem umfasst eine erste erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung als Energiefeldsender und eine zweite erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung als Energiefeldempfänger. Die erste Übertragungsvorrichtung und die zweite Übertragungsvorrichtung sind bezüglich jeweiliger Übertragungsseiten beabstandet zueinander, das heißt es liegt ein Luftspalt zwischen den Übertragungsseiten.
Das erfindungsgemäße Übertragungssystem weist die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Bei einer Ausführungsform ist mindestens ein Sensor oder Aktor an die zweite Übertragungsvorrichtung gekoppelt. Von der ersten Übertragungsvorrichtung wird drahtlos Energie auf die zweite Übertragungsvorrichtung übertragen, welche diese elektrische Energie dem Sensor bzw. Aktor bereitstellt. Sensorsignale bzw. Aktorsignale können von der zweiten Übertragungsvorrichtung an die erste Übertragungsvorrichtung übertragen werden. Gegebenenfalls können Signale wie Steuersignale von der ersten Übertragungsvorrichtung auf die zweite Übertragungsvorrichtung übertragen werden und von dort an den mindestens einen Sensor oder Aktor weitergeleitet werden.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich eine hohe Datenrate für die Datenübertragung erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Kompensationsspule in dem Energiefeld positioniert wird, welche an die Datenspule gekoppelt ist und in Relation zu der Datenspule so angeordnet und ausgebildet wird, dass mindestens teilweise eine Auswirkung des Energiefelds auf die Datenspule durch die mindestens eine Kompensationsspule kompensiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere wird ein Ausgangssignal der mindestens einen Kompensationsspule mit einem Ausgangssignal der Datenspule verknüpft und/oder die mindestens eine Kompensationsspule ist direkt an die Datenspule angeschlossen, sodass Signale der Datenspule durch die mindestens eine Kompensationsspule beeinflusst werden. Dadurch lässt sich eine Energiefeldkompensation an der Datenspule über die Kompensationsspule erreichen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1(a), (b) eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems;
2 eine schematische Teilschnittansicht längs der Linie 2-2 gemäß 1(b) mit reduziertem Abstand von Übertragungsvorrichtungen;
3 eine Schnittansicht eines Ausführungsführungsbeispiels einer Übertragungsvorrichtung längs der Linie 3-3 gemäß 1(a);
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der relativen Anordnung einer Datenspule und einer Kompensationsspule;
5 schematisch den Feldverlauf zwischen einer ersten Übertragungsvorrichtung und einer zweiten Übertragungsvorrichtung in einer Teildarstellung;
6 eine perspektivische Darstellung eines Trägers für eine Datenspule und eine Kompensationsspule; und
7 den gleichen Träger wie 6 von einer anderen Richtung her.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übertragungssystems, welches in den 1(a) und (b) schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine erste Übertragungsvorrichtung 12, eine zu dieser beabstandete zweite Übertragungsvorrichtung 14 mit dazwischen liegendem Luftspalt 16 und beispielhaft ein oder mehrere Sensoren 18. Ein Sensor 18 ist beispielsweise ein Abstandssensor oder Näherungssensor. Auch andere Sensorarten oder beispielsweise Aktoren sind möglich.
Der Sensor 18 ist über ein Kabel 20 an die zweite Übertragungsvorrichtung 14 angeschlossen. Die erste Übertragungsvorrichtung 12 ist beispielsweise über ein Kabel 22 an eine Energieversorgungseinrichtung angeschlossen.
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 und die zweite Übertragungsvorrichtung 14 sind drahtlos aneinander gekoppelt. Die erste Übertragungsvorrichtung 12 erzeugt ein Energiefeld, welches die zweite Übertragungsvorrichtung 14 beaufschlagt. Dies ist in den 1(a) und (b) durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 24 schematisch angedeutet. Durch die entsprechende elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Übertragungsvorrichtung 12 und der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 wird induktiv Energie übertragen, sodass der Sensor 18 mit elektrischer Energie zu dessen Betrieb versorgbar ist.
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 und die zweite Übertragungsvorrichtung 14 sind nach dem Transformatorprinzip miteinander gekoppelt. Eine entsprechende Energiespuleneinrichtung der ersten Übertragungsvorrichtung 12 kann als Primärwicklung eines Transformators angesehen werden und eine Energiespuleneinrichtung der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 kann als Sekundärwicklung angesehen werden.
Zwischen der ersten Übertragungsvorrichtung 12 und der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 lassen sich ferner bidirektional Daten austauschen. Dieser bidirektionale Datenaustausch ist in den 1(a) und (b) durch die Pfeile 26a, 26b angedeutet. Bei dem Datenaustausch in der Richtung 26a sendet die zweite Übertragungsvorrichtung 14 Daten in einem Datenfeld zu der ersten Übertragungsvorrichtung 12, welche diese Daten empfängt und insbesondere über das Kabel 22 weiterleitet. Der Datenaustausch in der Richtung 26b erfolgt derart, dass die erste Übertragungsvorrichtung 12 Daten zu der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 sendet. Diese werden dann an den Sensor 18 beispielsweise zu dessen Steuerung weitergeleitet. Daten in der Richtung 26a sind insbesondere Sensordaten und Diagnosedaten.
Die Daten werden, wie unten noch näher erläutert wird, über eine Datenspuleneinrichtung von der ersten Übertragungsvorrichtung 12 gesendet und über eine entsprechende Datenspuleneinrichtung der zweiten Datenübertragungseinrichtung 14 empfangen (Datenaustauschrichtung 26b) und umgekehrt (Datenaustauschrichtung 26a). Das Datensignal ist insbesondere moduliert. Die Datenübertragung ist induktiv und erfolgt im vergleichsweise starken Energiefeld 24. Typischerweise findet die Energieübertragung bei Frequenzen in der Größenordnung von 30 kHz bis 300 kHz statt.
Grundsätzlich sind die erste Übertragungsvorrichtung 12 und die zweite Übertragungsvorrichtung 14 gleich aufgebaut. Eine Übertragungsvorrichtung lässt sich sowohl als Energiesender als auch als Energieempfänger einsetzen. Aufgrund des bidirektionalen Datenaustauschs wirkt die Übertragungsvorrichtung 12 und die Übertragungsvorrichtung 14 sowohl als Datensender als auch als Datenempfänger.
Der Aufbau einer Übertragungsvorrichtung wird nachstehend beispielhaft am Aufbau der ersten Übertragungsvorrichtung 12 erläutert (2 und 3).
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 umfasst einen Kern 28, welcher insbesondere ein Ferritkern ist. Bei einer Ausführungsform ist dieser Kern 28 als Schalenkern 30 ausgebildet.
Der Schalenkern 30 umfasst einen Scheibenbereich 32, welcher insbesondere kreisförmig ist. Dieser Scheibenbereich 32 ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 34. Im Bereich der Achse 34 weist der Schalenkern 30 einen Zapfen 36 auf. Dieser Zapfen ist einstückig mit dem Scheibenbereich 32 verbunden.
An einem Randbereich sitzt an dem Scheibenbereich 32 ein Ringbereich 38. Dieser Ringbereich 38 ist einstückig mit dem Scheibenbereich 32 verbunden. Zwischen dem Ringbereich 38 und dem Zapfen 36 ist ein Ringraum 40 (Wickelraum) gebildet.
In dem Ringraum 40 sitzt um den Zapfen 36 gewickelt eine Energiespule 42, welche ein Energiefeld 24 erzeugt (bei der ersten Übertragungsvorrichtung 12) bzw. welche einem Energiefeld der anderen Übertragungsvorrichtung (bei der zweiten Übertragungsvorrichtung 14) ausgesetzt ist.
Der Kern 28 und die Energiespule 42 bilden eine Energiespuleneinrichtung 44. Die Energiespuleneinrichtung 44 sorgt für die kontaktlose induktive Energieübertragung zwischen Quelle (der ersten Übertragungsvorrichtung 12) und dem Empfänger (der zweiten Übertragungsvorrichtung 14).
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 weist eine erste Übertragungsseite 46 auf, welche einer zweiten Übertragungsseite 48 der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 zugewandt ist. Die erste Übertragungsseite 46 und die zweite Übertragungsseite 48 sind beabstandet zueinander, wobei der Luftspalt 16 zwischen der ersten Übertragungsseite 46 und der zweiten Übertragungsseite 48 liegt.
Der Schalenkern 30 weist der ersten Übertragungsseite 46 zugewandt eine Stirnseite 50 auf.
Die Energiespule 42 ist bezüglich der Stirnseite 50 zurückgesetzt in dem Ringraum 40 angeordnet. Die Stirnseite 40 ist insbesondere eine ebene Seite mit einer Ringausnehmung aufgrund des Ringraums 40.
Eine Spulenachse der Energiespule 42 liegt koaxial zu der Achse 34.
Die Energiespuleneinrichtung 44 mit ihrer Energiespule 42 ist durch eine Ansteuerungseinrichtung (in den Zeichnungen nicht gezeigt) angesteuert.
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 umfasst eine Datenspuleneinrichtung 52 mit (mindestens) einer Datenspule 54. Die Datenspule 54 sitzt außen am Kern 28 und ist insbesondere um diesen gewickelt. Bei einer Ausführungsform sitzt die Datenspule 54 an einem Träger 56, welcher flexibel ist und insbesondere ein Folienträger 58 ist (6 und 7). Dieser Folienträger 58 ist um den Kern 28 gelegt.
Eine Spulenachse der Datenspule 54 ist koaxial zu der Achse 34.
Die Datenspule 54 weist eine Mehrzahl von Windungen mit einheitlichem Windungssinn auf. Ein Windungsdurchmesser der Datenspule 54 ist größer als ein Windungsdurchmesser der Energiespule 42.
Die Datenspule 54 ist in einem Bereich mit möglichst geringer Stärke des Energiefelds der Energiespule 42 (und einer Energiespule der zweiten Übertragungsvorrichtung 14) positioniert.
Die Datenspuleneinrichtung 52 ist durch eine entsprechende Datensende-/-empfangseinrichtung angesteuert (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
An der Stirnseite 50 ist am Ringbereich 38 eine Kompensationsspuleneinrichtung 60 mit (mindestens) einer Kompensationsspule 62 angeordnet. Die Kompensationsspule 62 weist eine oder mehrere Windungen mit einer Spulenachse auf, welche koaxial zur Achse 34 ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsspule 62 genau eine Windung mit einheitlichem Windungssinn auf.
Ein Windungsdurchmesser der Kompensationsspule 62 ist kleiner als der Windungsdurchmesser der Datenspule 54 und größer als der Windungsdurchmesser der Energiespule 42. Die Kompensationsspule 62 ist bezogen auf eine Querrichtung zur Achse 34 zwischen der Energiespule 42 und der Datenspule 54 angeordnet.
Die Datenspule 54 ist bevorzugt in einem Bereich angeordnet, in dem die Stärke des Energiefelds der Energiespule 42 bzw. einer Energiespule der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 kleiner ist als im Bereich, in dem die Kompensationsspule 62 angeordnet ist. Die Kompensationsspule 62 ist durch das Energiefeld der Energiespule 42 beaufschlagt. Bei der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 ist die entsprechende Kompensationsspule ebenfalls durch das Energiefeld der Energiespule 42 der anderen Übertragungsvorrichtung, nämlich der ersten Übertragungsvorrichtung 12, beaufschlagt.
Die Energiespuleneinrichtung 44 und die Datenspuleneinrichtung 52 sind in einem Gehäuse 64 angeordnet, welches die erste Übertragungsseite 46 definiert. Die Stirnseite 50 kann dabei zu einer entsprechenden Gehäusewand mit der ersten Übertragungsseite 46 beabstandet sein. Insbesondere sind Zwischenräume im Gehäuse 64 vergossen. Dies ist in den 2 und 3 durch das Bezugszeichen 66 für eine Vergussmasse angedeutet.
Bei einer Ausführungsform ist die Kompensationsspule 62 an einem Scheibenelement 68 angeordnet (6 und 7). Das Scheibenelement 68 ist einstückig mit dem Folienträger 58 verbunden und gegenüber diesem quer und insbesondere rechtwinklig positionierbar. In den 6 und 7 ist der ursprüngliche Zustand vor der Positionierung an dem Kern 28 gezeigt. Das Scheibenelement 68 weist durchgehende Öffnungen 70 auf, um ein Vergießen eines Innenraums des Gehäuses 64 von der Stirnseite 50 her zu ermöglichen.
Die Datenspule 54 ist in Form von Leiterbahnen 72 auf dem Folienträger 58 hergestellt. Bei der Herstellung sind die Leiterbahnen 72 insbesondere gerade. Durch Anlegen des Folienträgers 58 an eine Außenseite des insbesondere zylindrischen Kerns 28 und entsprechende Kontaktierung der Leiterbahnen 72 entstehen Windungen zur Ausbildung der Datenspule 54.
Die Kompensationsspule 62 ist auf dem Scheibenelement 68 als Träger insbesondere durch eine Windung hergestellt.
Bei der Herstellung der ersten Übertragungsvorrichtung 12 wird der Folienträger 56, welcher entsprechend in seiner Länge an den Umfang des Kerns 28 angepasst ist, um den Kern 28 gelegt, wobei insbesondere die Leiterbahnen 72 nach außen weisen. Durch entsprechende Verbindung von Kontakten erfolgt die Windungsherstellung.
Das Scheibenelement 68 wird umgeklappt, wobei die Kompensationsspule 62 mit der entsprechenden Windung nach innen weist. Es erfolgt eine Fixierung und nachträglich ein Verguss mit der Vergussmasse 66 durch die Öffnungen 70 hindurch.
Die Kompensationsspule 62 ist an die Datenspule 54 gekoppelt. Diese Kopplung lässt sich auf dem gemeinsamen Träger 74 mit dem Scheibenelement 68 und dem Folienträger 58 auf einfache Weise realisieren.
Bei einer Ausführungsform sind die Kompensationsspule 62 und die Datenspule 54 antiseriell geschaltet. Dies ist in 4 angedeutet. Die Datenspule 54 und die Kompensationsspule 62 sind in Reihe geschaltet mit entgegengesetztem Windungssinn. Dadurch lässt sich bei entsprechender Anordnung und Ausbildung der Kompensationsspule 62 in Bezug auf die Datenspule 84 die Auswirkung des Energiefelds für die Energieübertragung auf die Datenspule 54 verringern und gegebenenfalls vollständig eliminieren. Eine von dem elektromagnetischen Feld für die Energieübertragung in der Datenspule induzierte Spannung wirkt der in der Kompensationsspule 62 durch dieses elektromagnetische Feld induzierten Spannung entgegen. Bei geeigneter Abstimmung (siehe unten) wird dadurch der Einfluss des Energiefelds auf die Datenübertragung reduziert. Dadurch lässt sich die Datenübertragung optimieren.
Die Datenspule 44 wird an einem Bereich der ersten Übertragungsvorrichtung 12 angeordnet, an welchem die Stärke des Energiefelds möglichst gering ist. Die Kompensationsspule 62 wird an einem Bereich angeordnet, an dem die Stärke des Energiefelds hoch ist. Dadurch lässt sich ein großer Unterschied in der Windungszahl für die Datenspule 54 und die Kompensationsspule 62 erreichen. Die Kompensationsspule 62 soll für eine Kompensation bezüglich des Energiefeldes sorgen, jedoch das Datensignal für das Senden von Daten bzw. den Empfang von Daten möglichst wenig in seiner Signalstärke reduzieren. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn die Kompensationsspule 62 möglichst wenig Windungen und insbesondere genau eine Windung hat.
Aus den genannten Gründen ist die Kompensationsspule 62 bezogen auf die erste Übertragungsseite 56 vor der Energiespule 42 angeordnet.
Eine optimale Kompensation stellt sich insbesondere dann ein, wenn ein spezifisches Verhältnis der Windungszahlen der Datenspule 54 und der Kompensationsspule 62 in Abhängigkeit von dem magnetischen Fluss des Energiefelds vorliegt.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Kompensationsspule 62 an einer Stelle angeordnet ist, an der sich das dort wirkende Energiefeld (das ”starke” Energiefeld) im gleichen Maß ändert wie das Energiefeld an der Datenspule 54 (das ”schwache” Energiefeld), wenn ein Abstand zwischen der ersten Übertragungsseite 46 und der zweiten Übertragungsseite 48, das heißt die Breite des Luftspalts 16, variiert wird.
Die optimierte Positionierung der Datenspule 54 und der Kompensationsspule 62 relativ zueinander und deren Ausbildung kann beispielsweise mittels Magnetfeldsimulationen ermittelt werden.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer solchen Simulation gezeigt. Es ist dabei nur eine Hälfte einer rotationssymmetrischer Anordnung gezeigt.
Das Feld im Bereich der Kompensationsspulen 62 ist stark gegenüber dem Feld im Bereich der Datenspulen 54. (In einer farbigen Darstellung dieser Simulationsergebnisse erkennt man auch quantitativ die Feldstärke.) Eingezeigt ist schematisch auch ein Feldverlauf 76 für das Datenfeld der Datenspulen 54.
Die Kompensationsspule 62 der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 funktioniert grundsätzlich gleich wie die Kompensationsspule 62 der ersten Übertragungsvorrichtung 12. Sie dient dazu, für das Senden von Daten bzw. das Empfangen von Daten den Einfluss des Energiefeldes, welches die zweite Übertragungsvorrichtung 14 beaufschlagt, zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Übertragungssystem 10 mit den Übertragungsvorrichtungen 12 und 14 funktioniert wie folgt:
Die erste Übertragungsvorrichtung 12 stellt der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 und damit dem Sensor 18 kontaktlos induktiv Energie bereit.
Die Energiespule 42 der Energiespuleneinrichtung 44 erzeugt das Energiefeld 24, welches die Energiespule 42 der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 beaufschlägt.
Parallel zur kontaktlosen Energieübertragung erfolgt ein Datenaustausch zwischen der ersten Übertragungsvorrichtung 12 und der zweiten Übertragungsvorrichtung 14. Die Datenspulen 54 der ersten Übertragungsvorrichtung 12 und der zweiten Übertragungsvorrichtung 14 wirken dabei je nach Übertragungsrichtung als Datensender oder Datenempfänger.
Dem Datenfeld 76 der Datenspulen 54 ist das starke Energiefeld überlagert. Das Energiefeld kann in einer Datenspule 54 Spannungen induzieren, die grundsätzlich den Datenaustausch durch Verschlechterung der Datensignale beeinflussen können. Dieser Einfluss ist unter Umständen auch durch eine Auswertungsstufe für die übertragenen Daten nicht eliminierbar.
Erfindungsgemäß ist eine Kompensationsspuleneinrichtung 60 vorgesehen, welche eine Kompensationsspule 62 umfasst, die der entsprechenden Datenspule 54 zugeordnet ist und zu dieser antiseriell geschaltet ist. Die Kompensationsspule 62 ist so ausgebildet, dass die Kopplung zwischen der Sende-Datenspule 54 und der Empfangs-Datenspule 54 höchstens wenig gestört wird. Das Datenfeld 76 unterscheidet sich signifikant von dem Feldverlauf des Energiefelds 24 (siehe 5).
An der Kompensationsspule 62 wird aufgrund des Energiefelds eine Spannung induziert. An der Datenspule 54 wird durch das Energiefeld ebenfalls eine Spannung induziert. Diese beiden Spannungen wirken aufgrund der antiseriellen Anordnung einander entgegen. Bei entsprechender Ausbildung der Datenspule 54 und der Kompensationsspule 62 lässt sich die Auswirkung des Energiefelds 24 auf die Datenspule 54 mindestens teilweise reduzieren.
Wenn ein Träger 74 mit einstückig verbundenem Folienträger 58 und Scheibenelement 68 (welches insbesondere starr ist) vorgesehen sind, lässt sich die entsprechende Übertragungsvorrichtung 12 bzw. 14 auf einfache Weise herstellen. Es wird der Schalenkern 30 mit der Energiespule 42 hergestellt. Um den Kern 28 wird der Folienträger 58 mit der Datenspule 54 gelegt. Das Scheibenelement 68 wird über die Stirnseite 50 des Kerns 28 geschwenkt oder gefaltet. Diese Anordnung wird in das Gehäuse 54 eingelegt und dort vergossen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine induktive kontaktlose Datenübertragung mit hohen Datenraten auch im starken Wechselfeld der Energiespuleneinrichtung 44 realisieren.
Bezugszeichenliste

10: Übertragungssystem
12: Erste Übertragungsvorrichtung
14: Zweite Übertragungsvorrichtung
16: Luftspalt
18: Sensor
20: Kabel
22: Kabel
24: Energiefeld
26a, b: Datenaustausch
28: Kern
30: Schalenkern
32: Scheibenbereich
34: Achse
36: Zapfen
38: Ringbereich
40: Ringraum
42: Energiespule
44: Energiespuleneinrichtung
46: Erste Übertragungsseite
48: Zweite Übertragungsseite
50: Stirnseite
52: Datenspuleneinrichtung
54: Datenspule
56: Träger
58: Folienträger
60: Kompensationsspuleneinrichtung
62: Kompensationsspule
64: Gehäuse
66: Vergussmasse
68: Scheibenelement
70: Öffnung
72: Leiterbahnen
74: Träger
76: Datenfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1705673 B1 [0004]
DE 102007006394 B4 [0005]
WO 2009/033573 A1 [0006]

Claims

Übertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und von Daten, umfassend eine Energiespuleneinrichtung (44) zur kontaktlosen Energieübertragung mittels eines elektromagnetischen-Energiefelds (24) und eine Datenspuleneinrichtung (52) mit mindestens einer Datenspule (54) zur kontaktlosen Datenübertragung, gekennzeichnet durch eine Kompensationsspuleneinrichtung (60) mit mindestens einer Kompensationsspule (62), welche durch das Energiefeld (24), welches auf die Energiespuleneinrichtung (44) wirkt oder von dieser erzeugt ist, beaufschlagt ist, wobei die mindestens eine Kompensationsspule (62) so angeordnet und ausgebildet ist und so an die mindestens eine Datenspule (54) gekoppelt ist, dass der Einfluss des Energiefeldes (24) auf die mindestens eine Datenspule (54) mindestens teilweise durch die mindestens eine Kompensationsspule (62) kompensiert ist.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Windungszahlen der mindestens einen Kompensationsspule (62) und der mindestens einen Datenspule (52) und die Position der mindestens einen Kompensationsspule (62) und der mindestens einen Datenspule (52) angepasst sind zur Energiefeldkompensation.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule (52) und die mindestens eine Kompensationsspule (62) antiseriell geschaltet sind.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule (62), eine oder mehrere Energiespulen (42) der Energiespuleneinrichtung (44) und die mindestens eine Datenspule (52) parallele und insbesondere koaxiale Spulenachsen aufweisen.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule (62) bezogen auf eine Übertragungsseite (46; 48) der Übertragungsvorrichtung (12; 14) vor der Energiespuleneinrichtung (44) positioniert ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespuleneinrichtung (44) einen Kern (28) aufweist, an welchem mindestens eine Energiespule (42) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern ein Schalenkern (30) ist.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (28) eine Stirnseite (50) aufweist, welche zu einer Übertragungsseite (46; 48) weist, und dass die mindestens eine Kompensationsspule (62) an oder in der Nähe der Stirnseite (50) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule (62) an einem Ringbereich (38) eines Schalenkerns (30) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule (52) um den Kern (28) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule (52) an einem Folienträger (58) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule (62) an einem Scheibenelement (68) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenelement (68) Öffnungen (70) aufweist.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenelement (68) einstückig mit einem Träger (58) für die mindestens eine Datenspule (52) verbunden ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenelement (68) quer und insbesondere rechtwinklig zu einem Träger (56) für die mindestens eine Datenspule (52) orientiert ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windungsdurchmesser der mindestens eine Datenspule (52) größer ist als ein Windungsdurchmesser einer Energiespule (42) der Energiespuleneinrichtung (44).
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windungsdurchmesser der mindestens einen Kompensationsspule (62) zwischen einem Windungsdurchmesser der mindestens einen Datenspule (52) und einem Windungsdurchmesser einer Energiespule (42) der Energiespuleneinrichtung (44) liegt.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule (62) genau eine Windung aufweist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule (52) eine Mehrzahl von Windungen aufweist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung durch modulierte Signale erfolgt.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule (52) in einem Bereich angeordnet ist, in welchem die Stärke des Energiefelds geringer ist als in einem Bereich, in dem die mindestens eine Kompensationsspule (62) angeordnet ist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Energiefeldempfänger, und/oder Energiefeldsender.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bidirektionale Datenübertragung.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Datenspule einen einheitlichen Windungssinn aufweist.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspule einen einheitlichen Windungssinn aufweist.
Verwendung der Übertragungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Energieversorgung eines Sensors und zum Datenaustausch mit dem Sensor.
Verwendung nach Anspruch 26 als Datensender und/oder Datenempfänger.
Übertragungssystem, umfassend eine erste Übertragungsvorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25 als Energiefeldsender und eine zweite Übertragungsvorrichtung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25 als Energiefeldempfänger, wobei die erste Übertragungsvorrichtung (12) und die zweite Übertragungsvorrichtung (14) bezüglich jeweiliger Übertragungsseiten (46; 48) beabstandet zueinander sind.
Übertragungssystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (18) oder Aktor an die zweite Übertragungsvorrichtung (14) gekoppelt ist.
Verfahren zur kontaktlosen induktiven Energieübertragung und Datenübertragung, bei dem ein Energiefeld auf eine Datenspule wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kompensationsspule in dem Energiefeld positioniert wird, welche an die Datenspule gekoppelt ist und in Relation zu der Datenspule so angeordnet und ausgebildet wird, dass mindestens teilweise eine Auswirkung des Energiefelds auf die Datenspule durch die mindestens eine Kompensationsspule kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal der mindestens einen Kompensationsspule mit einem Ausgangssignal der Datenspule verknüpft wird und/oder die mindestens eine Kompensationsspule direkt an die Datenspule angeschlossen ist, sodass Signale der Datenspule durch die mindestens eine Kompensationsspule beeinflusst werden.