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Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Erfassung von Messwerten in einer Maschine zum Gegenstand. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Maschinenbaugruppe (also eine Baugruppe, die zumindest einen Teil einer Maschine bildet oder als solcher Teil konzipiert ist) mit einer solchen Vorrichtung. Die betroffene Vorrichtung verwendet kabellose Signalübertragung und ist vorzugsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen einsetzbar.
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Insbesondere zur Regelung diverser Prozessparameter werden in verschiedensten bekannten Maschinen unterschiedlichste Sensoren eingesetzt, mittels derer ein jeweils aktueller Zustand der Maschine oder mindestens eines ihrer Bauteile bestimmt wird. Abhängig von den jeweils erfassten Werten, beispielsweise einer Temperatur oder eines Drehmoments, können so Prozessparameter für die Maschine optimiert und damit insbesondere ein vorteilhafter Wirkungsgrad erzielt werden.
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Wenn eine für die Überwachung besonders relevante Position auf einem bewegten, beispielsweise drehenden Bauteil oder an einer schlecht zugänglichen Stelle liegt, können die jeweiligen Werte dort mit herkömmlicherweise eingesetzten kabelgebundenen Sensoren nicht direkt gemessen werden. Es werden daher jeweilige Messparameter üblicherweise an feststehenden Positionen gemessen, beispielsweise eine jeweilige Temperatur im Ölsumpf des Getriebes oder am Stator einer jeweiligen Maschine, und es wird dann mittels Simulationsmodellen ein zugehöriger Wert an einer relevanten Position berechnet oder zumindest approximiert. Da eine solche Ermittlung jedoch träge und oft auch ungenau ist, ist eine präzise und unmittelbare Reaktion auf jeweils aktuelle Werte wie beispielsweise Temperaturspitzen damit im Allgemeinen nicht möglich.
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Die
WO 2003/ 100 743 A2 offenbart demgegenüber eine Technik zur berührungslosen Messung von Drehzuständen. Dabei ist ein Sensor mit einer Sensorantenne auf einem rotierenden Teil angeordnet. Die Sensorantenne steht dabei im Signalaustausch mit einer kapazitiv mit ihr gekoppelten Antenne am Lager. Zur Bestimmung eines Drehzustandes wird ein sich aus einer Drehung des rotierenden Teils ergebender Phaseneinfluss auf ein vom Sensor reflektiertes Signal ausgewertet.
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In der
DE 10 2019 118 401 A1 ist eine Maschine mit einem Sensornetzwerk offenbart, das mehrere Sensoren und eine drahtlos mit den Sensoren verbundene Auswerteeinheit aufweist. Damit ist es möglich, physikalische Größen wie insbesondere Temperaturen besonders präzise und beispielsweise auch auf rotierenden Maschinenelementen zu erfassen und für eine Regelung der Maschine zu verarbeiten, zudem können vorteilhaftere Magnete für die Maschine verwendet sowie auf die meist aufwendige Verlegung von Kabeln für die Vernetzung der Sensoren verzichtet werden.
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Aus der
DE 10 2010 062 584 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung der Position oder des Drehmoments einer Welle bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik bereitzustellen, die eine kontaktlose Signalübertragung zwischen einem Sensor und einer Auswertungselektronik in einer Maschine ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch eine Maschinenbaugruppe nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erfassung von Messwerten in einer Maschine, insbesondere in einer erfindungsgemäßen Maschinenbaugruppe, wie sie weiter unten beschrieben ist. Die Vorrichtung umfasst eine Sende- und Empfangseinheit, ein mit dieser elektrisch verbundenes erstes Koppelelement, mindestens einen Sensor, der an oder in einem Maschinenbauteil der Maschine angeordnet oder dazu eingerichtet ist, entsprechend angeordnet zu werden, sowie ein mit dem Sensor elektrisch verbundenes zweites Koppelelement. Das erste und das zweite Koppelelement sind durch einen Spalt voneinander getrennt. Dabei bilden die Sende- und Empfangseinheit, das erste Koppelelement, der Spalt, das zweite Koppelelement und der Sensor zumindest einen Teil eines (gemeinsamen) elektrischen Stromkreises.
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Der Spalt erlaubt somit eine kontaktlose Signalübertragung zwischen den beiden Koppelelementen, insbesondere mittels eines jeweils entstehenden elektrischen Feldes. Das erste und das zweite Koppelelement sind also im Sinne einer kontaktlosen Signalübertragung über den Spalt hinweg aneinander gekoppelt. Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, Signale zwischen der Sende- und Empfangseinheit und dem Sensor sogar ausschließlich mittels eines jeweiligen elektrischen Feldes in erstem und zweitem Koppelelement zu übertragen.
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Eine erfindungsgemäße Maschinenbaugruppe bildet zumindest einen Teil einer Maschine oder ist dazu eingerichtet, in eine Maschine integriert zu werden, also entsprechend verbaut einen solchen Teil zu bilden. Insbesondere kann sie selbst eine Maschine bilden.
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Die Maschinenbaugruppe umfasst ein Maschinenbauteil und eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der Sensor der Vorrichtung bzw. - in Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung mehrere Sensoren umfasst - wobei mindestens einer der Sensoren der Vorrichtung an oder in dem Maschinenbauteil der Maschinenbaugruppe angeordnet ist.
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Die Maschine, von der eine erfindungsgemäße Maschinenbaugruppe zumindest einen Teil bildet oder in die eine erfindungsgemäße Maschinenbaugruppe integriert zu werden eingerichtet ist, kann insbesondere ein Getriebe oder eine Elektromaschine umfassen, insbesondere kann sie ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug oder eine Windkraftanlage sein oder ein Teil eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs oder einer Windkraftanlage. Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen umfasst die Maschine einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf vorteilhafte Weise, mittels des mindestens einen Sensors Messwerte präzise auch an kritischen Stellen zu erfassen, an denen eine Kabelverbindung nachteilig oder sogar unmöglich ist. Damit kann ohne simulations- und approximationsbedingte Verzögerungen und Ungenauigkeiten dynamisch auf entsprechende Messwerte reagiert werden, beispielsweise bei einer Regelung der Maschine. So können beispielsweise Sicherheitsfaktoren optimiert, Verluste (z. B. Planschverluste bzw. ein Schleppmoment) und der Verbrauch (beispielsweise von Öl) reduziert und insbesondere bei einer Elektromaschine ein maximales Potential abgerufen werden. Ist der Sensor beispielsweise als Temperatursensor ausgebildet, kann eine maximal zulässige Temperatur präzise überwacht und angesteuert, ggf. eine bedarfsgerechte Kühlung vorgenommen sowie auch bei Verwendung eines einfachen Magnetmaterials eine Entmagnetisierung durch Überhitzung und damit die Beschädigung der Maschine verhindert werden. Darüber hinaus kann für ein rotierendes Maschinenbauteil eine so ermittelte Temperatur für eine genauere Berechnung des Drehmoments über Kennfelder verwendet werden.
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Durch die Ausbildung eines den Spalt einschließenden Teils eines elektrischen Stromkreises wird dabei zum einen eine stabile kontaktlose Signalübertragung auch innerhalb eines mindestens teilweise geschlossenen Gehäuses und in direkter Nachbarschaft zu metallischen Bauteilen (die z. B. mindestens eine Welle, mindestens ein Zahnrad und/oder mindestens ein Schaltelement umfassen können) ermöglicht, zum anderen kann die Vorrichtung raumsparend, einfach und robust ausgebildet und vorteilhaft in eine kompakte Maschine, wie insbesondere eine Elektromaschine oder ein Getriebe integriert werden.
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Die Sende- und Empfangseinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, Signale an den Sensor zu senden, beispielsweise um den Sensor auszulösen (also eine jeweilige Erfassung von Messparametern mittels des Sensors zu initiieren). Alternativ oder zusätzlich kann die Sende und Empfangseinheit eine softwaregesteuerte Auswertungselektronik umfassen und/oder dazu eingerichtet sein, drahtlos und/oder kabelgebunden Signale an eine Auswertungselektronik zu übermitteln. Auf diese Weise können mittels des Sensors erfasste und als Signale mittels der Koppelelemente kontaktlos an die Sende- und Empfangseinheit übertragene Werte ausgewertet, beispielsweise für eine Regelung der Maschine verwendet werden.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein mindestens teilweise geschlossenes Gehäuse auf, das mindestens zum Teil aus Metall gebildet ist und in dem zumindest das erste und das zweite Koppelelement sowie der Sensor angeordnet sind. Ein solches Gehäuse kann zudem das Maschinenbauteil, an oder in dem der Sensor angeordnet oder anzuordnen ist, mindestens teilweise einhausen oder dazu eingerichtet sein, das Maschinenbauteil einzuhausen.
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Das Maschinenbauteil kann beispielsweise mindestens ein Teil eines Lagers, ein Zahnrad, einen Planetenradbolzen, einen Rotor, eine Antriebs- und/oder Getriebewelle umfassen. Insbesondere kann es beweglich relativ zum ersten Koppelelement, und/oder - in Ausführungsformen mit Gehäuse - beweglich zum Gehäuse sein. Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung so in oder an der Maschine (insbesondere der Sensor in oder am Maschinenbauteil) angeordnet oder anzuordnen, dass auch das Maschinenbauteil zum Teil des Stromkreises gehört.
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In den Stromkreis kann mindestens ein Anpassungsnetzwerk als Schaltung zur Anpassung einer Impedanz und damit zur Verbesserung einer Sende- und Empfangsleistung integriert sein.
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Das erste und/oder das zweite Koppelelement kann insbesondere an einem Rotor, an einem Planetenradträger oder an einer Antriebs- und/oder Getriebewelle angeordnet sein, insbesondere jeweils stirnseitig oder entlang einem Umfang.
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Das zweite Koppelelement ist vorzugsweise beweglich relativ zum ersten Koppelelement angeordnet. Ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelelement, also eine Spaltbreite des Spalts, bleibt dabei vorzugsweise auch bei einer Bewegung des zweiten Koppelelements relativ zum ersten Koppelelement konstant. Insbesondere kann das zweite Koppelelement dazu eingerichtet sein, in einem konstanten Abstand zum ersten Koppelelement an diesem entlangbewegt zu werden. Dabei kann das zweite Koppelelement seine Position relativ zum ersten Koppelelement ändern, beispielsweise indem es als Punktelement ausgebildet ist, das rotierend an einem rotationssymmetrischen, z. B. als Ringscheibe oder Hülse/ Zylindermantel ausgebildeten ersten Koppelelement entlanggeführt wird, oder es kann seine Position relativ zum ersten Koppelelement beibehalten, z. B. indem das erste und das zweite Koppelelement rotationssymmetrisch um eine gemeinsame zentrale Achse ausgebildet sind und das zweite Koppelelement um diese Achse rotiert wird.
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Der Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelelement bildet vorzugsweise ein Dielektrikum; insbesondere ist er vorzugsweise mit Luft, Öl oder Wasser gefüllt.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen umfasst eine erfindungsgemäße Maschinenbaugruppe mindestens ein Maschinenelement (beispielsweise mindestens ein Lager, mindestens ein Zahnrad und/oder mindestens einen Gehäuseteil) der Maschine, über das der Sensor elektrisch mit dem ersten Koppelelement verbunden ist. Insbesondere gehört auch das mindestens eine Maschinenelement dann also zum Stromkreis.
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Ein Messparameter, den zu messen der Sensor eingerichtet ist, kann beispielsweise eine Temperatur des Maschinenbauteils oder eine Temperatur an einer Position in der Maschine, ein Drehmoment, eine Beschleunigung, eine Drehzahl, eine magnetische Feldstärke, eine Stromstärke oder eine Spannung in der Maschine sein. Insbesondere kann der Messparameter einen Systemzustand der Maschine oder einen Zustand des Maschinenbauteils charakterisieren.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere Sensoren, die jeweils elektrisch mit dem zweiten Koppelelement verbunden sind. Die mehreren Sensoren können dazu eingerichtet sein, beide denselben Messparameter zu messen oder voneinander verschiedene Messparameter zu erfassen, so dass beispielsweise einer der Sensoren eine Temperatur oder eine Stromstärke misst und ein anderer ein Drehmoment, eine Beschleunigung, eine Drehzahl, eine magnetische Feldstärke oder eine Spannung. Andere Kombinationen sind ebenfalls möglich. Insbesondere können mehrere Sensoren einer derartigen Ausführungsform dazu eingerichtet sein, miteinander (beispielsweise über das zweite Koppelelement, mit dem sie jeweils verbunden sind, oder über die Sende- und Empfangseinheit) zu kommunizieren. Sie können insbesondere in ein Sensornetzwerk integriert sein. Damit kann ein besonders vorteilhaftes Systemverhalten generiert werden.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen ist der Sensor (sofern die Vorrichtung mehrere Sensoren umfasst, mindestens einer der Sensoren) als passiver Sensor ausgebildet; ein solcher Sensor bietet den Vorteil, dass er keine eigene Energieversorgung benötigt. Insbesondere kann der Sensor beispielsweise als auf Funkwellentechnologie basierender RFID- (radio frequency identification) Sensor ausgebildet sein oder als auf der Oberflächenreflexion von akustischen Wellen basierender sogenannter SAW-Sensor (surface acoustic wave), bei dem ein empfangenes (von der Sende- und Empfangseinheit stammendes) Signal innerhalb eines im Sensor enthaltenen Chips eine akustische Oberflächenwelle hervorruft, die durch eine Struktur im Chip reflektiert, dabei abhängig von einem jeweiligen Messparameter (insbesondere einer Temperatur) in ihrer Frequenz verändert und so an die Sende- und Empfangseinheit übermittelt wird, die aus der empfangenen Frequenz einen zur Messbedingung gehörigen Messwert ableitet. Alternativ kann der Sensor auf induktiver Kopplung bzw. Telemetrie basieren.
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Eine Arbeitsfrequenz des Sensors kann in einem der ISM-Bänder 13,8MHz, 433MHz, 2,4GHz oder 5GHz liegen (insbesondere bevorzugt 2,4GHz oder 5GHz) oder in einem sonstigen Standard-Funkband, beispielsweise einem SDR-Band. Umfasst die Vorrichtung mehrere elektrisch mit dem zweiten Koppelelement verbundene Sensoren, können deren Arbeitsfrequenzen in voneinander verschiedenen dieser Bänder liegen. Insbesondere wenn die Sensoren als SAW-Sensoren ausgebildet sind, können sie so auseinandergehalten werden, auch wenn sie mit einem gemeinsamen zweiten Koppelelement elektrisch verbunden sind.
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Der Sensor bzw. die mehreren Sensoren können elektrisch mit einer zentralen Recheneinheit (CPU), einem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) und/oder - insbesondere zur (vorzugsweise ausschließlichen) Energieversorgung des Sensors - mit einem Nanogenerator (Energy Harvester) verbunden sein. Dies ist vorteilhaft, wenn der Sensor z. B. mit Energie versorgt werden muss oder sein Signal wegen langer Leitungen vorher digitalisiert werden soll oder einzelne Rechenschritte schon an Ort und Stelle berechnet werden sollen, z. B. wenn Daten getriggert werden und nur zeitweise ein berechneter Wert versendet wird.
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Das erste und/oder das zweite Koppelelement kann mindestens einen hülsenförmigen (also rohrartigen, insbesondere kreiszylindrischen) Abschnitt, zumindest einen plattenförmigen Abschnitt und/oder mindestens ein Punktelement (also ein Element mit einem Durchmesser beispielsweise von höchstens 2cm, höchstens 1cm oder höchstens 5mm) umfassen. Auf diese Weise können die beiden Koppelelemente sowohl für eine verlust- und störungsarme Signalübertragung über den Spalt hinweg optimiert, als auch geeignet in entsprechende Zwischenräume (beispielsweise um eine Welle oder Achse herum) in der Maschine eingepasst sein, was eine besonders raum- und materialsparende Anordnung der Vorrichtung in der Maschine ermöglicht.
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Insbesondere können sowohl das erste als auch das zweite Koppelelement je zumindest einen hülsenförmigen Abschnitt umfassen, wobei der hülsenförmige Abschnitt eines der Koppelelemente dazu eingerichtet ist, den hülsenförmigen Abschnitt des anderen der Koppelelemente unter Ausbildung des Spaltes in seinem Inneren aufzunehmen, also koaxial um den hülsenförmigen Abschnitt des anderen Koppelelements herum angeordnet zu werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können sowohl das erste als auch das zweite Koppelelement je zumindest einen plattenförmigen, insbesondere als Ringscheibe ausgebildeten Abschnitt umfassen. Solche Abschnitte können insbesondere an einem rotierbaren Maschinenbauteil einander axial (bezogen auf die Rotationsachse des Maschinenbauteils) gegenüberstehend angeordnet sein. Im Falle einer Ausbildung als Ringscheibe kann diese jeweils so angeordnet sein, dass ihre zentrale Achse mit der Rotationsachse des Maschinenbauteils übereinstimmt.
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Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform weist/weisen das erste und/oder das zweite Koppelelement eine jeweils zugehörige elektrisch leitende Schicht (bzw. eine ground plane), eine Funktionsschicht und ein dazwischen angeordnetes Dielektrikum, also eine Isolationsschicht auf; derart aufgebaute Koppelelemente werden hier im Folgenden auch als „geschichtete Koppelelemente“ bezeichnet. Die leitende Schicht kann insbesondere durch mindestens einen Teil des Maschinenbauteils oder - in Ausführungsformen mit Gehäuse - des Gehäuses oder eines sonstigen Maschinenelements gebildet werden.
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Die jeweilige Funktionsschicht eines geschichteten (ersten und/oder zweiten) Koppelelements besteht vorzugsweise mindestens teilweise aus Kupfer. Dies ermöglicht eine besonders gute Signalübertragung über den Spalt zwischen erstem und zweitem Koppelelement hinweg.
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Das Dielektrikum, das beispielsweise mindestens teilweise aus Polyethylen gebildet sein kann, bildet eine elektrische Trennung der Funktionsschicht von der elektrisch leitenden Schicht. Es kann dabei insbesondere wie ein Kondensator wirken. Vorzugsweise weist es eine erste Oberfläche auf, die an der Funktionsschicht anliegt, und eine der ersten Oberfläche entgegengesetzte zweite Oberfläche, die an der elektrisch leitenden Schicht anliegt. Es kann mindestens teilweise als Beschichtung der elektrisch leitenden Schicht ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Dielektrikum mindestens teilweise als eigenständiger Körper geformt sein, der mit der elektrisch leitenden Schicht verbunden ist. Beispielsweise kann das Dielektrikum als Substrat einer Leiterplatte ausgebildet sein. Die elektrisch leitende Schicht kann dann weiterhin durch eine Massefläche (ground plane) der Leiterplatte gebildet sein.
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Ist das zweite Koppelelement derart geschichtet ausgebildet, so ist der Sensor vorzugsweise über ein Kabel elektrisch mit der Funktionsschicht des zweiten Koppelelements verbunden. Ein solches Kabel ist vorzugsweise zur elektrisch leitenden Schicht des zweiten Koppelelements elektrisch isoliert. Analog ist bei einem geschichtet ausgebildeten ersten Koppelelement die Sende- und Empfangseinheit vorzugsweise über ein Kabel elektrisch mit der Funktionsschicht des ersten Koppelelements verbunden. Ein solches Kabel ist vorzugsweise zur elektrisch leitenden Schicht des ersten Koppelelements elektrisch isoliert.
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In Ausführungsformen, bei denen der Sensor wie oben erwähnt über mindestens ein Maschinenelement elektrisch (auch) mit dem ersten Koppelelement verbunden ist, kann diese Verbindung bei einem geschichteten ersten Koppelelement insbesondere zu dessen elektrisch leitender Schicht bestehen. Das mindestens eine Maschinenelement kann durch das Dielektrikum des ersten Koppelelements von dessen Funktionsschicht elektrisch getrennt sein.
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Insbesondere kann die (jeweilige) Funktionsschicht eines geschichteten (ersten und/oder zweiten) Koppelelements beispielsweise zumindest teilweise als Hülse (also rohrartig, insbesondere kreiszylindrisch) aufgebaut sein. Beispielsweise können sowohl das erste als auch das zweite Koppelelement eine derartige Funktionsschicht aufweisen, wobei die Funktionsschicht des ersten Koppelelements zumindest teilweise (vorzugsweise koaxial) innerhalb des zweiten Koppelelements angeordnet oder anzuordnen ist oder umgekehrt. Insbesondere bei rotierendem Maschinenbauteil kann auf diese Weise ein (bezogen auf die zugehörige Rotationsachse) radialer Zwischenraum zwischen dem Maschinenbauteil und einem relativ dazu festen Maschinenelement für die Anordnung der Koppelelemente genutzt werden.
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Analog kann/können (alternativ oder zusätzlich) das Dielektrikum und/oder die elektrisch leitende Schicht mindestens teilweise als Hülse ausgebildet sein. Insbesondere kann eine derart mindestens teilweise als Hülse geformte elektrisch leitende Schicht wenigstens zum Teil um ein zumindest teilweise als Hülse ausgebildetes Dielektrikum desselben Koppelelements herum angeordnet sein und/oder ein/das als Hülse ausgebildete/s Dielektrikum wenigstens zum Teil um eine ebenfalls mindestens teilweise als Hülse ausgebildete Funktionsschicht desselben Koppelelements herum. Alternativ kann umgekehrt eine zumindest teilweise als Hülse ausgebildete Funktionsschicht wenigstens zum Teil um ein mindestens teilweise als Hülse ausgebildetes Dielektrikum desselben Koppelelements herum angeordnet sein und/oder ein/das als Hülse ausgebildete/s Dielektrikum wenigstens zum Teil um eine zumindest teilweise als Hülse ausgebildete elektrisch leitende Schicht desselben Koppelelements.
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Alternativ oder zusätzlich kann/können Funktionsschicht, Dielektrikum und/oder elektrisch leitende Schicht jeweils zumindest teilweise als Platte (insbesondere Scheibe, speziell Ringscheibe) oder Punktelement (beispielsweise mit einem Durchmesser von höchstens 2cm, höchstens 1cm oder höchstens 5mm) ausgebildet sein. Insbesondere bei rotierendem Maschinenbauteil kann auf diese Weise ein (bezogen auf die zugehörige Rotationsachse) axialer Zwischenraum zwischen dem Maschinenbauteil und einem relativ dazu festen Maschinenelement vorteilhaft für die Anordnung mindestens einer derartigen Komponente eines geschichteten Koppelelements genutzt werden.
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Gemäß speziellen vorteilhaften Ausführungsformen kann mindestens eines der Koppelelemente ein zumindest teilweise als Platte (insbesondere Scheibe, beispielsweise Ringscheibe) ausgebildetes Dielektrikum haben, wobei die Platte (bzw. Scheibe) an einer zumindest teilweise als Hülse ausgebildeten Funktionsschicht angeordnet ist, insbesondere an deren axialem Ende (bezogen auf eine zentrale Achse der Hülse).
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Die (jeweilige) Funktionsschicht eines geschichteten (ersten und/oder zweiten) Koppelelements kann als eigenständiger Körper geformt sein, der mit dem Dielektrikum verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktionsschicht mindestens teilweise als flächige Beschichtung des Dielektrikums ausgebildet sein.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen ist die (jeweilige) Funktionsschicht eines geschichteten (ersten und/oder zweiten) Koppelelements mindestens teilweise als eine Leiterbahnstruktur ausgebildet.
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Eine solche Leiterbahnstruktur kann beispielsweise mindestens teilweise aus Draht (insbesondere Kupferdraht) bestehen und/oder zumindest teilweise als auf das Dielektrikum aufgedruckte Struktur. Sie kann zumindest in einem Abschnitt wellenförmig, zumindest in einem Abschnitt stufenförmig, zumindest in einem Abschnitt spiralförmig, zumindest in einem Abschnitt gezackt, zumindest in einem Abschnitt helixförmig und/oder zumindest in einem Abschnitt ringförmig (entlang einer Kreisbahn) verlaufen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Leiterbahnstruktur mindestens eine geschlossene Kurve und/oder mindestens eine offene Kurve ausbilden; im letzteren Fall kann an einem oder beiden Enden der offenen Kurve (ggf. jeweils) ein elektrischer Widerstand angeordnet sein; ein solcher Widerstand kann insbesondere einen Wert im Bereich von 40 Ohm bis 60 Ohm oder im Bereich von 45 Ohm bis 55 Ohm aufweisen.
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Insbesondere kann die Leiterbahnstruktur mehrere elektrisch voneinander getrennte Abschnitte umfassen. In Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung mehrere Sensoren umfasst, können getrennte Abschnitte der Leiterbahnstruktur vorzugsweise mit voneinander verschiedenen Sensoren der Vorrichtung elektrisch verbunden sein. Insbesondere können voneinander getrennte Abschnitte der Leiterbahnstruktur punktbezogen ausgebildet sein, beispielsweise einen Durchmesser von höchstens 2cm, höchstens 1cm oder höchstens 5mm und/oder mindestens 3mm oder mindestens 4mm haben. Derartige punktbezogene Abschnitte können insbesondere in Form einer Spirale oder entlang einer Kreisbahn verlaufen.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen, bei denen das erste und/oder das zweite Koppelelement eine mindestens teilweise als Leiterbahnstruktur ausgebildete Funktionsschicht hat, bildet die Leiterbahnstruktur eine Kurve aus, deren Länge L ein rationales Vielfaches einer zu einer vorgesehenen Arbeitsfrequenz des Sensors gehörigen Wellenlänge λ ist; beispielsweise kann L=λ/4, L= λ/2, oder L=3λ/4 gelten.
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Das Dielektrikum hat eine Dielektrizitätskonstante. Die Permittivität (oder Dielektrizitätskonstante) gibt die Polarisationsfähigkeit eines Materials an. Der Abstand und die Fläche der Koppelelemente haben Einfluss auf die Kapazität oder das elektrische Feld. Wenn sich die Permittivität aufgrund von Temperatur ändert, hat das Einfluss auf die Signalübertragung bzw. auf das elektrische Feld. Ist ein jeweiliges Koppelelement hülsenförmig ausgebildet, kann die Kapazität insbesondere abhängig von einer Länge und/oder Dicke der Hülse bestimmt sein. In Ausführungsformen, bei denen das erste und/oder das zweite Koppelelement eine mindestens teilweise als Leiterbahnstruktur ausgebildete Funktionsschicht hat, kann die Kapazität alternativ oder zusätzlich abhängig von einer Länge der Leiterbahnstruktur bestimmt sein.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente sind figurenübergreifend verwendet und werden ggf. nicht für jede Figur neu beschrieben.
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Es zeigen schematisch:
- 1.1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 1.2: eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung;
- 2: exemplarische Anschlüsse von jeweils geschichtetem erstem und zweitem Koppelelement in einer Ausführungsform der Vorrichtung;
- 3.1 - 3.3: Beispiele für geometrische Ausbildungen von Koppelelementen;
- 4.1 - 4.8: als Leiterbahnstrukturen ausgebildete Funktionsschichten, die sich über einen Umfang eines hülsenförmigen Dielektrikums erstrecken;
- 5.1 - 5.5: als Leiterbahnstrukturen ausgebildete Funktionsschichten auf einem als Ringscheibe ausgebildeten Dielektrikum;
- 6.1 - 6.2: als Leiterbahnstrukturen ausgebildeten Funktionsschichten auf einem als Punktelement ausgebildeten Dielektrikum; und
- 7: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine.
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Die 1.1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer Schnittdarstellung entlang einer Achse X.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ein Maschinenelement 1 einer Maschine; das Maschinenelement 1 kann beispielsweise zumindest einen Teil eines Gehäuses, eines Lagers und/oder mindestens ein Zahnrad der Maschine umfassen. Am Maschinenelement 1 ist ein erstes Koppelelement 20 angeordnet, das in der dargestellten Ausführungsform als geschichtetes Koppelelement ausgebildet ist und eine Funktionsschicht 21, ein Dielektrikum 22 und eine elektrisch leitende Schicht 23 umfasst, die von der Funktionsschicht 21 durch das Dielektrikum 22 elektrisch isoliert und am Maschinenelement 1 befestigt ist; alternativ kann bei elektrisch leitfähigem Maschinenelement 1 zumindest ein Teil des Maschinenelements 1 auch selbst die leitende Schicht des geschichteten ersten Koppelelements ausbilden.
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Die Funktionsschicht 21 des ersten Koppelelements 20 ist bei der in 1.1 gezeigten Ausführungsform hülsenförmig (insbesondere rohrartig bzw. kreiszylindrisch geformt) um die zentrale Achse X ausgebildet und an einer ihrer Stirnseiten mit dem vorliegend als Platte (beispielsweise Kreis- oder Ringscheibe) ausgebildeten Dielektrikum 22 verbunden, das vorliegend als flächige Schicht auf der elektrisch leitenden Schicht 23 ausgebildet ist.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein Maschinenbauteil 2 der Maschine, das insbesondere dazu eingerichtet sein kann, relativ zum Maschinenelement 1 bewegt, beispielsweise um die zentrale Achse X rotiert zu werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Maschinenbauteil 2 drehsymmetrisch oder sogar rotationssymmetrisch um die Achse X ausgebildet, insbesondere kann es ein Rotor der Maschine sein.
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Im oder am Maschinenbauteil 2 sind vorliegend zwei Sensoren 50 angeordnet, von denen in der dargestellten Ausführungsform einer über eine Leitung 52 elektrisch mit einer ebenfalls im oder am Maschinenbauteil angeordneten Elektronikeinheit 51 verbunden ist. In anderen Ausführungsformen kann ein Sensor ohne elektrische Versorgung (passiver Sensor) genutzt werden. Die Elektronikeinheit 51 kann dabei jeweils eine zentrale Recheneinheit (CPU), einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) und/oder einen Nanogenerator (bzw. Energy Harvester) umfassen, insbesondere zur - vorzugsweise ausschließlichen - Energieversorgung des Sensors. Bei einer Bewegung des Maschinenbauteils 2 relativ zum Maschinenelement 1 werden die Sensoren 50 und die Elektronikeinheit 51 mitbewegt, beispielsweise um die Achse X rotiert.
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Die Sensoren 50 sind jeweils dazu eingerichtet, einen jeweiligen Messparameter zu messen, der einen Zustand des Maschinenbauteils 2 charakterisiert, beispielsweise eine Temperatur, ein Drehmoment, eine Beschleunigung, eine Drehzahl, eine magnetische Feldstärke, eine Stromstärke oder eine Spannung in der Maschine. Sie können dabei dazu eingerichtet sein, voneinander verschiedene Messparameter (also Messparameter voneinander verschiedener Typen/Arten) zu messen, so dass beispielsweise einer der Sensoren eine Temperatur und der andere eine magnetische Feldstärke erfasst, oder denselben Messparameter an unterschiedlichen Positionen.
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Die Sensoren 50 sind durch eine jeweilige Leitung 55 elektrisch mit einem (gemeinsamen) zweiten Koppelelement 40 verbunden, das bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls geschichtet ausgebildet ist und eine Funktionsschicht 41, eine elektrisch leitende Schicht 43 sowie ein die Funktionsschicht 41 von der elektrisch leitenden Schicht 43 isolierendes, wie ein Kondensator wirkendes Dielektrikum 42 umfasst. Die Funktionsschicht 41, das Dielektrikum 42 und die elektrisch leitende Schicht 43 sind dabei jeweils hülsenförmig (insbesondere rohrartig bzw. kreiszylindrisch geformt) um die Achse X herum ausgebildet. Die durch die Leitungen 55 gegebene elektrische Verbindung der Sensoren 50 zum zweiten Koppelelement 40 besteht dabei jeweils zu dessen Funktionsschicht 41. Darüber hinaus sind die Sensoren 50 vorliegend über das Maschinenbauteil 2, elektrische Leitungen 5, schematisch dargestellte weitere Maschinenelemente 3 der Maschine (die beispielsweise mindestens ein Teil eines Lagers des Maschinenbauteils 2, mindestens einen Planetenradträger, mindestens ein Gehäuseelement und/oder mindestens ein Zahnrad umfassen können) und das Maschinenelement 1 elektrisch mit dem ersten Koppelelement 20, insbesondere dessen elektrisch leitender Schicht 23 verbunden.
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Die Funktionsschicht 41 des zweiten Koppelelements 40 ist durch einen Spalt 30 von der Funktionsschicht 21 des ersten Koppelelements 20 getrennt, das über eine Leitung 15 mit einer Sende- und Empfangseinheit 10 elektrisch verbunden ist. Die Sende- und Empfangseinheit 10, das erste Koppelelement 20, der Spalt 30, das zweite Koppelelement 40, die Sensoren 50 und das Maschinenbauteil 2 bilden dabei zumindest einen Teil eines elektrischen Stromkreises; aufgrund der elektrischen Verbindung der Sensoren 50 über die Leitungen 5 und die Maschinenelemente 3 mit dem Maschinenelement 1 gehören vorliegend auch diese Komponenten zu dem Stromkreis.
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Insbesondere ermöglicht es die Vorrichtung 100, Signale zwischen den Funktionsschichten 21, 41 des ersten bzw. des zweiten Koppelelements über den Spalt 30 hinweg kontaktlos zu übertragen. Beispielsweise kann die Sende- und Empfangseinheit 10 ein Signal über diese Verbindung an den Sensor 50 senden, der das jeweilige Signal abhängig von einer jeweils gemessenen Bedingung (beispielsweise einer am Sensor herrschenden Temperatur) ändern, insbesondere seine Amplitude und/oder Frequenz modifizieren kann und das geänderte Signal wiederum über die Verbindung von erstem und zweitem Koppelelement 20, 40 über den Spalt 30 hinweg zurück an die Sende- und Empfangseinheit 10 übermitteln kann. Die Sende- und Empfangseinheit 10 kann eine softwaregesteuerte Auswertungselektronik umfassen und/oder mit einer solchen Auswertungselektronik verbunden sein (jeweils nicht dargestellt), mit der das geänderte Signal dann entsprechend ausgewertet werden kann, beispielsweise um für eine Regelung der Maschine verwendet zu werden.
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Die 1.2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 100` in einer Schnittdarstellung entlang der zentralen Achse X. Auch die Vorrichtung 100` umfasst die Sende- und Empfangseinheit 10, das Maschinenbauteil 2, an oder in dem vorliegend zwei Sensoren 50 angeordnet sind, und das Maschinenelement 1, das über elektrische Leitungen 5, schematisch dargestellte weitere Maschinenelemente 3 der Maschine und das Maschinenbauteil 2 mit den Sensoren 50 elektrisch verbunden ist. In abgewandelten Ausführungen kann auch nur ein einziger Sensor genutzt werden. Für mögliche Ausbildungen des Maschinenbauteils 2, der Sensoren 50, der elektrischen Leitungen 5, der Maschinenelemente 3, des Maschinenelements 1 und der Sende- und Empfangseinheit 10 gilt das oben mit Bezug zur 1.1 Dargelegte.
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Die Vorrichtung 100` weist weiterhin ein erstes Koppelelement 20` und ein zweites Koppelelement 40' auf, die vorliegend jeweils geschichtet ausgebildet sind. Eine Funktionsschicht 21' des ersten Koppelelements 20` ist dabei elektrisch durch ein Dielektrikum 22' von einer am Maschinenelement 1 angeordneten elektrisch leitenden Schicht 23` isoliert. Analog ist eine Funktionsschicht 41' des zweiten Koppelelements 40' elektrisch durch ein Dielektrikum 42` von einer am Maschinenbauteil 2 angeordneten elektrisch leitenden Schicht 43` isoliert. Die Funktionsschichten 21', 41', die Dielektrika 22', 42' und die elektrisch leitenden Schichten des ersten bzw. zweiten Koppelelements 20', 40' sind dabei jeweils als koaxial um die Achse X herum angeordnete Ringscheiben ausgebildet.
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Die Sende- und Empfangseinheit 10 ist durch die Leitung 15, die durch die elektrisch leitende Schicht 23` und durch das Dielektrikum 22` hindurchführt, mit der Funktionsschicht 21' des ersten Koppelelements 20' verbunden. Analog sind die Sensoren 50 durch die jeweilige Leitung 55, die durch die elektrisch leitende Schicht 43` und durch das Dielektrikum 42' hindurchführt, mit der Funktionsschicht 41' des zweiten Koppelelements 40' verbunden. Die genannten Verbindungen sind in der weiter unten beschriebenen 2 detaillierter gezeigt.
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Die Funktionsschichten 21', 41' von erstem und zweitem Koppelelement 20', 40' sind einander in (bezogen auf die Achse X) axialer Richtung zugewandt und weisen einen positiven Abstand voneinander auf. Ein zwischen ihnen liegender Spalt 30, der vorzugsweise mit Luft, Öl oder Wasser gefüllt sein kann, trennt das erste und das zweite Koppelelement 20', 40' voneinander.
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Dabei bilden die Sende- und Empfangseinheit 10, das erste Koppelelement 20', der Spalt 30`, das zweite Koppelelement 40', die Sensoren 50 und das Maschinenbauteil 2 zumindest einen Teil eines elektrischen Stromkreises, zu dem auch bei dieser Ausführungsform vorliegend (aufgrund der genannten elektrischen Verbindung) auch die Leitungen 5, das Maschinenelement 1 und die weiteren Maschinenelemente 3 gehören.
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Entsprechend dem oben mit Bezug auf die 1.1 für die Vorrichtung 100 Dargelegten ermöglicht es die Vorrichtung 100', Signale zwischen den Funktionsschichten 21', 41' des ersten bzw. des zweiten Koppelelements über den Spalt 30' hinweg kontaktlos zu übertragen und so die oben genannten Vorteile zu erzielen.
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Die 2 verdeutlicht in einer Schnittdarstellung jeweilige Anschlüsse der Funktionsschichten des ersten und des zweiten geschichteten Koppelelements der Vorrichtung an deren Sende- und Empfangseinrichtung bzw. an deren Sensor. Exemplarisch sind dabei in der 2 die Anschlüsse der Funktionsschichten 21' und 41' des ersten und zweiten Koppelelements 20', 40' der in der 1.2 gezeigten Vorrichtung 100' dargestellt.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, ist insbesondere die Leitung 55, die den am oder im Maschinenbauteil 2 angeordneten Sensor 50 mit der Funktionsschicht 41' des zweiten Koppelelements 40' verbindet, im Bereich des Maschinenbauteils 2, der elektrisch leitenden Schicht 43` und des Dielektrikums 42` von einer Isolierung 56 umgeben. Analog ist die Leitung 15, die die Funktionsschicht 21' des ersten Koppelelements 20' mit der (hier nicht dargestellten) Sende- und Empfangseinheit verbindet, vom Dielektrikum 22`, von der elektrisch leitenden Schicht 23' des ersten Koppelelements 20' und vom Maschinenelement 1 durch eine Isolierung 16 elektrisch getrennt. So wird jeweils eine ungestörte und präzise Signalübertragung von der und an die jeweilige Funktionsschicht 21' bzw. 41' gewährleistet.
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Die 3.1, 3.2 und 3.3 illustrieren schematisch mögliche Ausgestaltungen von erstem und/oder zweitem Koppelelement bzw. von möglichen Abschnitten der Koppelelemente.
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So zeigt die 3.1 ein geschichtetes Koppelelement 60 mit einer Funktionsschicht 61, einer elektrisch leitenden Schicht 63 und einem dazwischen angeordneten und die genannten Schichten 61 und 63 gegeneinander isolierenden Dielektrikum 62. Funktionsschicht 61, Dielektrikum 62 und elektrisch leitende Schicht 63 sind dabei jeweils als Hülse (d. h. in Form eines Rohrs bzw. kreiszylinderartig) ausgebildet und koaxial um eine zentrale Achse X angeordnet. Das Dielektrikum 62 liegt dabei flächig an der Funktionsschicht 61 und an der elektrisch leitenden Schicht 63 an.
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Im gezeigten Beispiel stellt die Funktionsschicht 61 dabei die radial äußerste Schicht dar. Alternativ kann ein geschichtetes Koppelelement mit hülsenförmiger Funktionsschicht, hülsenförmigem Dielektrikum und hülsenförmiger elektrisch leitender Schicht (entsprechend dem in der 1.1 gezeigten zweiten Koppelelement 40) umgekehrt aufgebaut sein, so dass also die Funktionsschicht radial innen und die elektrisch leitende Schicht radial außen angeordnet ist. Insbesondere eignet sich das gezeigte Koppelelement 60 vorteilhaft zu einer Kombination mit einem entsprechend in umgekehrter Reihenfolge geschichteten (zweiten oder ersten) Koppelelement, dessen Funktionsschicht dann also radial innen und der Funktionsschicht 61 zugewandt (und von dieser durch einen Spalt getrennt) ist.
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Die 3.2 zeigt ein alternatives (erstes oder zweites) geschichtetes Koppelelement 60', das entsprechend den in der 1.2 gezeigten Koppelelementen 20', 40' ausgebildet ist und die koaxial zueinander und in axialer Richtung hintereinander angeordneten Schichten Funktionsschicht 61', Dielektrikum 62' und elektrisch leitende Schicht 63' umfasst.
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In der 3.3 ist ein als Punktelement ausgebildetes geschichtetes Koppelelement 60" gezeigt, das eine Funktionsschicht 61", ein Dielektrikum 62" und eine elektrisch leitende Schicht 63" umfasst. Die Funktionsschicht 61" und die elektrisch leitende Schicht 63", die an einander entgegengesetzten Seiten des Dielektrikums 62" anliegen, werden dabei durch das Dielektrikum 62" elektrisch voneinander getrennt. Die Schichten, die insbesondere jeweils als Plättchen ausgebildet sein können, weisen vorzugsweise einen Durchmesser D (als maximal auftretenden Abstand zweier ihrer Randpunkte) von höchstens 2cm, höchstens 1cm oder höchstens 5mm auf.
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In den 4.1 bis 4.8 sind Ausbildungen von Funktionsschichten jeweiliger (erster oder zweiter) geschichteter Koppelelemente der Vorrichtung gezeigt, die als Leiterbahnstrukturen 71.1 bis 71.8 auf einem als Hülse um eine zentrale Achse X ausgebildeten Dielektrikum 72 ausgebildet sind. Zur Illustration der Leiterbahnstrukturen ist dabei die Oberfläche der Hülse als abgewickelter Zylindermantel und somit als Rechteck dargestellt.
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Die Leiterbahnstrukturen 71.1 bis 71.8 können jeweils zumindest teilweise aus am Dielektrikum 72 befestigtem Draht, insbesondere aus Kupferdraht bestehen und/oder mindestens teilweise als auf das Dielektrikum aufgedruckte (vorzugsweise kupferbasierte) Struktur ausgebildet sein.
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Wie aus den 4.1 bis 4.8 ersichtlich ist, erstreckt sich die jeweilige Leiterbahnstruktur 71.1, 71.2, 71.3, 71.4, 71.5, 71.6, 71.7 bzw. 71.8 jeweils über den Umfang des als Hülse ausgebildeten Dielektrikums 72. Sie weist dabei im Falle der Leiterbahnstruktur 71.1 eine wellenförmige, im Falle der Leiterbahnstruktur 71.2 eine gestufte, im Falle der Leiterbahnstruktur 71.3 eine helixförmige und im Falle der Leiterbahnstruktur 71.4 eine einfache (entlang einer Kreisbahn verlaufende) Gestalt auf. Die in den 4.5 bis 4.8 gezeigten Leiterbahnstrukturen 71.5, 71.6, 71.7 und 71.8 weisen jeweils punktbezogene Abschnitte in Form von Spiralen (bei den Leiterbahnstrukturen 71.5, 71.7 und 71.8) oder Kreisen (bei der Leiterbahnstruktur 71.6) auf, die bei den Leiterbahnstrukturen 71.5, 71.6 und 71.7) miteinander verbunden und bei der Leiterbahnstruktur 71.8 voneinander getrennt sind; die derart voneinander getrennten punktbezogenen Abschnitte der Leiterbahnstruktur 71.8 sind vorzugsweise in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit voneinander verschiedenen Sensoren verbunden.
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An den jeweilige Enden 71.0 der Leiterbahnstrukturen 71.1 bis 71.8 kann jeweils ein (optionaler) elektrischer Widerstand angeordnet sein; ein Wert eines solchen Widerstandes kann vorzugsweise im Bereich von 40 Ohm bis 60 Ohm oder im Bereich von 45 Ohm bis 55 Ohm liegen.
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Die 5.1 bis 5.5 zeigen Ausbildungen von Funktionsschichten jeweiliger (erster oder zweiter) geschichteter Koppelelemente der Vorrichtung, die als jeweilige Leiterbahnstrukturen 71'.1, 71'.2,71'.3,71'.4 bzw. 71'.5 auf einem als Platte, insbesondere als Ringscheibe ausgebildeten Dielektrikum 72` angeordnet sind.
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Die in der 5.1 gezeigte Leiterbahnstruktur 71'.1 verläuft dabei entlang einer Kreisbahn konzentrisch zum als Ringscheibe ausgebildeten Dielektrikum 72', und die in der 5.2 dargestellte Leiterbahnstruktur 71'.2 bildet eine Spirale um eine zentrale Achse des als Ringscheibe ausgebildeten Dielektrikums 72'. Die Leiterbahnstrukturen 71'.3 und 71'.4 der 5.3 bzw. 5.4 weisen voneinander getrennte spiralförmige (im Falle der Funktionsschicht 71'.3) bzw. entlang einer Kreisbahn verlaufende (im Falle der Funktionsschicht 71'.4) Abschnitte auf, die in der Vorrichtung vorzugsweise mit voneinander verschiedenen Sensoren verbunden sind. Die in der 5.5 gezeigte Leiterbahnstruktur 71'.5 umfasst miteinander verbundene spiralförmig ausgebildete punktbezogene Abschnitte.
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Die 6.1 und 6.2 zeigen jeweilige als Leiterbahnstruktur 71".1 bzw. 71".2 ausgebildete Funktionsschichten auf einem als Punktelement ausgebildeten Dielektrikum 72". Die Leiterbahnstruktur 71".1 beschreibt dabei eine einfach unterbrochene Kreislinie, und die Leiterbahnstruktur 71".2 hat einen spiralförmigen Verlauf.
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Analog zu den in den 4.1 bis 4.8 gezeigten Ausführungsbeispielen können auch die Leiterbahnstrukturen 71'.1 bis 71'.5, 71".1 und 71".2 zumindest teilweise aus Kupferdraht bestehen und/oder zumindest teilweise als auf das Dielektrikum 72' bzw. 72" aufgedruckte (vorzugsweise kupferbasierte) Struktur ausgebildet sein. An mindestens einem jeweiligen Ende 71'.0 bzw. 71".0 der Leiterbahnstrukturen 71'.1 bis 71'.5, 71".1 und 71".2 kann ein elektrischer Widerstand angeordnet sein; ein solcher Widerstand kann vorzugsweise einen Wert haben, der im Bereich von 40 Ohm bis 60 Ohm oder im Bereich von 45 Ohm bis 55 Ohm liegt.
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Die 7 zeigt in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Maschinenbaugruppe 1000 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Die Maschinenbaugruppe 1000 ist vorliegend als elektrische Antriebsmaschine ausgebildet. Sie umfasst insbesondere mehrere (vorliegend vier) Maschinenbauteile 2 (insbesondere einen Rotor, einen Planetenradsatz, eine Getriebewelle und Zahnräder), an oder in denen jeweils ein oder mehrere Sensoren 50 angeordnet sind.
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Die Sensoren 50 können dazu eingerichtet sein, mindestens teilweise dieselben Messparameter zu messen (beispielsweise jeweils eine Temperatur an ihrer jeweiligen Position) und/oder mindestens teilweise voneinander verschiedene Parameter zu erfassen. Mehrere der Sensoren 50 können zusammen ein Sensornetzwerk bilden, insbesondere dazu eingerichtet sein, miteinander zu kommunizieren.
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Die Sensoren 50 sind jeweils über Leitungen 55 (von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen sind) mit zweiten Koppelelementen 40, 40' elektrisch verbunden, die teils als hülsenförmige (zylindrische) Koppelelemente 40, teils als plattenförmige (insbesondere als ringscheibenförmige) Koppelelemente 40' ausgebildet sind.
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Die zweiten Koppelelemente 40, 40' sind jeweils durch den Spalt 30 von ersten Koppelelementen 20, 20' getrennt, die über Leitungen 15 elektrisch mit der (gemeinsamen) Sende- und Empfangseinheit 10 verbunden sind. Die ersten Koppelelemente sind ebenfalls teils als hülsenförmige erste Koppelelemente 20, teils als plattenförmige (insbesondere ringscheibenförmige) erste Koppelelemente 20' ausgebildet. Die hülsenförmigen ersten Koppelelemente 20 sind dabei vorliegend koaxial zu jeweiligen hülsenförmigen zweiten Koppelelementen 40 und radial innerhalb dieser zweiten Koppelelemente angeordnet, die plattenförmigen ersten Koppelelemente 20` sind in axialer Richtung zu ebenfalls plattenförmigen zweiten Koppelelementen 40' benachbart.
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Die Sende- und Empfangseinheit 10, das erste Koppelelement 20, 20', der Spalt 30, das zweite Koppelelement 40, der Sensor 50 und das Maschinenbauteil 2 bilden zusammen jeweils zumindest einen Teil eines elektrischen Stromkreises. In den Stromkreis kann mindestens ein Anpassungsnetzwerk als Schaltung zur Anpassung einer Impedanz und damit zur Verbesserung einer Sende- und Empfangsleistung integriert sein (nicht dargestellt).
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Einer oder mehrere der Sensoren 50 kann/können elektrisch über mindestens ein Maschinenelement und/oder eine Leitung mit einem jeweils korrespondierenden ersten Koppelelement 20, 20' (das also vom mit dem jeweiligen Sensor elektrisch verbundenen zweiten Koppelelement 40, 40' durch den Spalt 30 getrennt ist) verbunden sein (nicht sichtbar).
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Vorzugsweise sind die ersten und/oder die zweiten Koppelelemente geschichtet mit einer Funktionsschicht, einer elektrisch leitenden Schicht und einem diese beiden Schichten elektrisch voneinander trennenden Dielektrikum ausgebildet. In diesem Fall kann die elektrisch leitende Schicht eines jeweiligen ersten Koppelelements 20, 20' durch ein Maschinenelement 1, insbesondere ein Gehäuse der Maschine gebildet sein. Eine ggf. vorhandene Verbindung eines oder mehrerer der Sensoren 50 mit dem jeweils korrespondierenden ersten Koppelelement 20, 20' besteht bei geschichtetem ersten Koppelelement 20, 20' vorzugsweise zu dessen elektrisch leitender Schicht.
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Wie in der 7 erkennbar ist, sind die Sensoren in engen Zwischenräumen, an beweglichen Maschinenbauteilen 2 und an Positionen angeordnet, in denen eine Verkabelung problematisch wäre. Die vorliegende Erfindung erlaubt somit eine präzise Erfassung relevanter Messwerte auch an kritischen Stellen und damit eine synchron erfolgende Auswertung zur Regelung der Maschine 1000.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenelement
- 2
- Maschinenbauteil
- 3
- weitere Maschinenelemente
- 5
- elektrische Leitung
- 10
- Sende- und Empfangseinheit
- 15
- elektrische Leitung
- 16
- Isolierung der Leitung 15
- 20, 20'
- erstes Koppelelement
- 21, 21'
- Funktionsschicht des ersten Koppelelements
- 22, 22`
- Dielektrikum des ersten Koppelelements
- 23, 23`
- elektrisch leitende Schicht des ersten Koppelelements
- 30
- Spalt
- 40, 40'
- zweites Koppelelement
- 41, 41'
- Funktionsschicht des zweiten Koppelelements
- 42, 42`
- Dielektrikum des zweiten Koppelelements
- 43, 43`
- elektrisch leitende Schicht des zweiten Koppelelements
- 50
- Sensor
- 51
- Elektronikeinheit
- 52
- elektrische Leitung
- 55
- elektrische Leitung
- 56
- Isolierung der Leitung 55
- 60, 60', 60"
- geschichtetes Koppelelement
- 61, 61', 61''
- Funktionsschicht
- 62, 62', 62"
- Dielektrikum
- 63, 63', 63"
- elektrisch leitende Schicht
- 71.0, 71'.0, 71".0
- Leiterbahnende
- 71.1 - 71.8
- Leiterbahnstruktur
- 71'.1 - 71'.5
- Leiterbahnstruktur
- 71".1 - 71''.2
- Leiterbahnstruktur
- 72, 72', 72"
- Dielektrikum
- 100, 100`
- Vorrichtung
- 1000
- Maschinenbaugruppe
- D
- Durchmesser
- X
- zentrale Achse
