DE102019106716A1

DE102019106716A1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten und Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102019106716A1
Application number: DE102019106716.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Heinrich; David Maier; Nejila Parspour
Original assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US20200295599A1; CN111696762B; CN111696762A; US10992180B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten von einem primärseitigen Träger auf wenigstens einen positionierbaren sekundärseitigen Abnehmer umfassend wenigstens eine primärseitige Spulenanordnung, welche induktiv mit wenigstens einer sekundärseitigen Spulenanordnung wechselwirkt, ist dadurch gekennzeichnet, dass mäanderförmige Wicklungen (510, 520, 530) vorgebbarer Windungszahl der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Spulenanordnung durch Sticken einer Hochfrequenzlitze (405) auf wenigstens einem flexiblen Träger angeordnet werden und die mäanderförmigen Wicklungen (510, 520, 530) im Bereich von Überkreuzungen der gestickten Hochfrequenzlitzen (405) gerade Verläufe aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So geht beispielsweise aus der DE 20 2009 009 689 U1 eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit mindestens einer Primärinduktivität zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug mit mindestens einer Sekundärinduktivität hervor. Die DE 10 2015 005 871 A1 beschreibt ein System zur kontaktlosen Energieübertragung von einem bodenverlegten Primärleiter an ein insbesondere auf dem Boden stehendes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine an den Primärleiter induktiv koppelbare Sekundärwicklungsanordnung aufweist.
Im industriellen Bereich werden Sensoren und Aktoren an Befestigungselementen angeordnet, die beispielsweise als sogenannte aktive Stangen ausgebildet sind, durch welche Energie und/oder Daten mittels eines elektromagnetischen Kopplungsverfahrens an beispielsweise Sensoren übertragen werden. Ein solches Befestigungselement geht aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2018 109 267.9 der Anmelderin hervor.
Auf dem Gebiet der induktiven Energieübertragung werden für neue Anwendungen zunehmend neue Konzepte für Wicklungen benötigt. So sind beispielsweise einfach zu fertigende Rundspulen in planarer Ausführung für dreidimensionale Anordnungen nicht geeignet.
Aus dem Stand der Technik ist das Aufsticken von Litzen auf ein Trägermaterial aus Stoff oder einem anderen Material bekannt. Es werden beispielsweise elektrische Sitzheizungen für Fahrzeuge auf diese Weise hergestellt. Beim Aufsticken von Litzen ist es notwendig, ein geeignetes Wickelschema zu entwerfen, welches von einer Stickmaschine umgesetzt werden kann. Dabei dürfen keine Fehler beim Sticken entstehen, wenn eine induktive Energieübertragung gewährleistet sein soll. Ein Fehler bedeutet hier beispielsweise, dass eine Hochfrequenzlitze durch die Stickmaschine beschädigt wird. Auch können mechanische Beanspruchungen beim Stickvorgang die Güte der Spule verringern. Darüber hinaus führt ein Durchtrennen einzelner Einzeladern zu einem Einbruch der Spulengüte, wodurch eine solche Spule nicht mehr zu gebrauchen ist. Eine solche Durchtrennung erfolgt beispielsweise durch einen Einstich beim Sticken, wobei die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines solchen Fehlers insbesondere bei komplexen Anordnungen zunimmt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine effektiv arbeitende Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten, bei welcher gestickte Spulenanordnungen verwendet werden, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung zu vermitteln, welches eine zuverlässig zu fertigende Spulenanordnung auf einem flexiblen Trägermaterial ermöglicht. Insbesondere soll die Fertigung der Spulenwicklung mit einer gängigen Stickmaschine ohne Beschädigung möglich sein.
Offenbarung der Erfindung
Mit einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie- und/oder von Daten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist eine zuverlässige Energie und/oder Datenübertragung möglich. Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 ermöglicht die zuverlässige und sichere Herstellung einer mäanderförmigen Wicklung auf wenigstens einem flexiblen Träger durch Sticken einer Hochfrequenzlitze.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mäanderförmige Wicklungen vorgebbarer Windungszahl der Spulenanordnung im Bereich von Überkreuzungen der gestickten Hochfrequenzlitzen gerade Verläufe aufweisen. Ein auf diese Weise hergestelltes Wickelmuster minimiert Kreuzungen und ermöglicht die sichere Herstellung von Wicklungen auf flexiblen Trägern durch Stickmaschinen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die mäanderförmigen Wicklungen im Bereich der Überkreuzungen nicht gestickt sind. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass während des Stickvorgangs Hochfrequenzlitzen beschädigt werden und dadurch die Spulengüte sinkt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die einzelnen Wicklungen der Mehrzahl der identischen mäanderförmigen Wicklungen so auf dem wenigstens einen flexiblen Träger relativ zu wenigstens einer Faltungslinie angeordnet sind, dass die mäanderförmigen Wicklungen durch Zusammenklappen des flexiblen Trägers entlang der wenigstens einen Faltungslinie versetzt zueinander übereinander zu liegen kommen.
Auf diese Weise können sehr komplexe Wicklungsmuster erzeugt werden und die Übertragung von Energie und/oder von Daten wird durch eine solche Anordnung optimiert.
Insbesondere können solche Träger auch beispielsweise gekrümmt angeordnet werden, beispielsweise auf einer an sich bekannten Befestigungsstange für Sensoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt primärseitige und sekundärseitige Wicklungen zur Energieübertragung auf positionierbare Abnehmer.
2 zeigt schematisch eine Schaltung und versetzte Wicklungen zur Energieübertragung.
3 zeigt schematisch einen autoresonanten Royer-Converter mit mehreren seriell kompensierten Sekundärseiten zur induktiven Übertragung von Energie und von Daten.
4 zeigt eine Mäanderwicklung in einfacher Ausführung mit der Windungszahl 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt die Anordnung von drei Mäanderwicklungen mit jeweils der Windungszahl 3, die nach Faltung des flexiblen Trägers entlang einer Faltungslinie übereinander zu liegen kommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist schematisch die Energieübertragung auf positionierbare Abnehmer dargestellt.
Von einer primärseitigen mäanderförmigen Wicklung 100 wird induktiv Energie auf sekundärseitige mäanderförmige Wicklungen 120 übertragen. Sowohl die primärseitige Wicklung, als auch die sekundärseitigen Wicklungen sind auf einem flexiblen Träger angeordnet. Das mäanderförmige Wicklungssystem der primärseitigen Wicklung ist in 1 beispielhaft mit einer Windung dargestellt. Die sekundärseitigen Wicklungen sind beispielhaft mit der Windungszahl 3 dargestellt. Dabei entspricht die Strecke von links nach rechts der Länge einer Stange und die Strecke von oben nach unten der Länge der Mantelfläche des Zylinders.
Die induktive Energieübertragung kann beispielsweise mit einer in 2 dargestellten Schaltung erfolgen. Dabei liegen einer primärseitigen Induktivität 210 drei sekundärseitige Induktivitäten 220, 221, 222 gegenüber. Jeder der sekundärseitigen Induktivitäten ist eine Kompensationsschaltung und ein Gleichrichter 230, 231, 232 zugeordnet. Je nach Position des Abnehmers (rotatorisch) werden die Wicklungen unterschiedlich vom Magnetfeld durchsetzt.
Aufgrund des geometrischen Aufbaus wird immer eine Wicklung die höchste induzierte Spannung beziehungsweise die größte magnetische Kopplung zur Primärseite aufweisen. Ein Zwischenkreis 250 wird dann von dieser Wicklung gespeist, wodurch eine konstante Energieübertragung stattfinden kann.
Eine andere Art der Energieübertragung ist in 3 dargestellt, welche einen sogenannten autoresonanten Royer-Converter mit mehreren seriell kompensierten Sekundärseiten zeigt. Einer Primärinduktivität 310 sind drei Sekundärinduktivitäten 320, 321, 322 und entsprechende Gleichrichter 330, 331, 332 zugeordnet. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, dass beispielsweise auf einer Stange oder auf einer Fläche 1 bis n Abnehmer mit unterschiedlicher Leistung platziert werden können. Es ist kein zusätzlicher Regelaufwand durch eine autoresonante Leistungselektronik erforderlich. Die Resonanzfrequenz ist lastunabhängig. Die Abnehmer arbeiten im Nebenbetrieb.
Die hierfür vorgesehenen Wicklungen sind in den 4 und 5 dargestellt.
In 4 ist eine Mäanderwicklung 400 mit der Windungszahl 3 dargestellt. Diese Mäanderwicklung 400 wird durch Aufsticken einer Hochfrequenzlitze 405 mit einer an sich bekannten Stickmaschine auf ein flexibles Material, beispielsweise Stoff oder ein anderes Trägermaterial erzeugt. Zum Aufsticken der Litze ist es erforderlich, ein Wicklungsschema zu entwerfen, welches zum einen von der Stickmaschine umgesetzt werden kann und welches zum anderen bei dem Stickvorgang nicht Beschädigungen unterliegt. Insbesondere im Bereich der induktiven Energieübertragung dürfen nämlich keine Fehler beim Sticken auftreten. Dabei bedeutet Fehler, dass die Hochfrequenzlitze durch die Stickmaschine beschädigt wird. Darüber hinaus darf beim Aufbringen der Hochfrequenzlitze, also beim „Wickeln“, die mechanische Beanspruchung nicht so groß sein, dass die Güte einer Spule nachteilig verkleinert wird. Außerdem darf beim Stickvorgang nicht der Fall auftreten, dass einzelne Einzeladern durchtrennt werden, was zu einem sehr großen Einbruch der Spulengüte führt, wodurch das fertiggestellte Produkt nicht mehr zur Energieübertragung verwendet werden kann. Ein solcher Einstich beim Sticken kann insbesondere bei sehr komplexen Anordnungen auftreten. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Einstich steigt mit der Komplexität der Anordnung.
Die in 4 dargestellte Wicklung ist eine mäanderförmige Anordnung für einen dreidimensionalen Aufbau, der den großen Vorteil aufweist, dass Kreuzungen 410 minimiert werden. Die Kreuzungen 410 liegen immer innerhalb von geraden Verläufen der Litze. Der Stickvorgang wird dabei so gewählt, dass eine handelsübliche Stickmaschine diese Bereiche beim Stickvorgang auslässt. Die Litze bleibt ortsfest ohne zusätzliche Einstiche, die im Bereich der Kreuzungen liegen.
Um die benötigte Nähe der Einzellitzen zueinander zu gewährleisten, ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, die in 5 dargestellt ist, vorgesehen, dass identische mäanderförmige Wicklungen 510, 520, 530 auf flexiblen Trägern relativ zu einer Faltungslinie 501 oder (nicht dargestellten) weiteren Faltungslinien derart angeordnet werden, dass die mäanderförmigen Wicklungen 510, 520, 530 nach dem Zusammenklappen der flexiblen Träger entlang der Linie versetzt zueinander übereinander zu liegen kommen. Auf diese Weise werden sehr komplexe Wicklungsstrukturen erzeugt, die sicher und zuverlässig hergestellt werden können.
Eine derartige Anordnung ermöglicht eine sehr effektive Übertragung von elektrischer Energie und von Daten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202009009689 U1 [0004]
DE 102015005871 A1 [0004]
DE 102018109267 [0005]

Claims

Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten von einem primärseitigen Träger auf wenigstens einen positionierbaren sekundärseitigen Abnehmer umfassend wenigstens eine primärseitige Spulenanordnung, welche induktiv mit wenigstens einer sekundärseitigen Spulenanordnung wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mäanderförmige Wicklungen (400; 510, 520, 530) vorgebbarer Windungszahl der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Spulenanordnung durch Sticken einer Hochfrequenzlitze (405) auf wenigstens einem flexiblen Träger angeordnet werden und die mäanderförmigen Wicklungen (400; 510, 520, 530) im Bereich von Überkreuzungen (410) der gestickten Hochfrequenzlitzen (405) gerade Verläufe aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmigen Wicklungen (400; 510; 520; 530) im Bereich der Überkreuzungen (410) nicht gestickt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wicklungen mehrerer identischer mäanderförmiger Wicklungen (510, 520, 530) so auf dem wenigstens einen flexiblen Träger relativ zu wenigstens einer Faltungslinie (501) angeordnet sind, dass die mäanderförmigen Wicklungen (510, 520, 530) durch Zusammenklappen des wenigstens einen flexiblen Trägers entlang der wenigstens einen Faltungslinie (501) versetzt zueinander übereinander zu liegen kommen.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten, dadurch gekennzeichnet, dass eine primärseitige mäanderförmige Wicklung (100) und wenigstens eine sekundärseitige mäanderförmige Wicklung (120; 400; 510, 520, 530) auf flexiblen Trägern durch Sticken von Hochfrequenzlitzen derart angeordnet werden, dass die mäanderförmigen Wicklungen im Bereich von Überkreuzungen gerade Verläufe aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mäanderförmigen Wicklungen (400; 510, 520, 530) im Bereich der Überkreuzungen (410) nicht gestickt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere identische sekundärseitige mäanderförmige Wicklungen (510; 520; 530) auf wenigstens einem Träger durch Sticken angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitigen mäanderförmigen Wicklungen (510, 520, 530) so relativ zu wenigstens einer Faltungslinie (501) auf den wenigstens einen Träger gestickt werden, dass durch Zusammenklappen des Trägers entlang der wenigstens einen Faltungslinie (501) die sekundärseitigen mäanderförmigen Wicklungen (510, 520, 530) versetzt zueinander übereinander zu liegen kommen.