DE202010018107U1 - Self-balancing stator antenna for optimized contactless energy transmission in near field telemetry systems - Google Patents
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Abstract
Selbstabgleichende Statorantenne (1) für Anwendung zur optimierten kontaktlosen Energieübertragung bei Nahfeldtelemetrieanlagen vom Stator zum Rotor (30) – bestehend – aus Zuleitung (15) – aus Induktionsspule (2) – aus Anpassungsnetzwerk (4) – Netzteil (10) gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) eine selbstabgleichende Statorantenne (1) b) mit einen kompakten und extrem beschleunigungsfesten digital elektronisch einstellbarem Anpassungsnetzwerk (4) c) mit einen zusätzlichen Anpassungsdetektor (11) d) mit einen zusätzlichen Prozessor (7) e) der Prozessor (7) das digital einstellbare Anpassungsnetzwerk (4) nach einen Algorithmus basierend aus der Auswertung des Anpassungsdetektorausgangssignals (12) ansteuert f) und Mikro-Programm, dass das Anpassungsnetzwerk (4) so einstellt, dass die maximal verfügbare Energie auf der Zuleitung (15) in der Induktionsspule (2) möglich optimal in ein max. Magnetfeldamplitude (20) umsetzt wird.Self-aligning stator antenna (1) for use for optimized contactless energy transfer in near-field telemetry systems from the stator to the rotor (30) - consisting of - a supply line (15) - an induction coil (2) - a matching network (4) - a power supply unit (10) characterized by the following features: a) a self-aligning stator antenna (1) b) with a compact and extremely acceleration-resistant digitally electronically adjustable adaptation network (4) c) with an additional adaptation detector (11) d) with an additional processor (7) e) the processor (7) the digital adjustable adaptation network (4) according to an algorithm based on the evaluation of the adaptation detector output signal (12) controls f) and micro-program that sets the adaptation network (4) so that the maximum available energy on the supply line (15) in the induction coil (2 ) possible optimally in a max. Magnetic field amplitude (20) is converted.
Description
Berührungslose Übertragungssysteme in der Nahfeldtelemetrie zum kontaktlosen Übertragen von Sensordaten von drehenden Wellen werden heute bereits mit großen Erfolg eingesetzt, wie im Patent
Viele dieser Systeme dienen im wesentlichen zur Stressanalyse, Überwachung und zur Qualifizierung von sich bewegenden mechanischen Bauteilen in beengten Raumverhältnissen. Dazu müssen geeignete Übertragungselemente, wie eine Statorantenne (
Wesentliches Merkmal dieser wartungsfreien Systeme ist die berührungslose Energieübertragung vom Stator zum Rotor (
Während die Rotorantenne (
Solche Übertragungsdistanzen sind nur mit auf elektrische Resonanz abgeglichenen Schwingkreisen, sprich einer abgeglichenen Schleifeantenne (Induktionsspule (
Des Weiteren ist insbesondere bei Schleifenantennen die Resonanz sehr scharf und äußerst empfindlich gegen Geometrieänderungen. Eine automatische Nachführung des optimalen Abgleichs bei Veränderung der Geometriebedingen oder Änderung der Bauteilwerte wäre ein enormer Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik.Furthermore, especially in the case of loop antennas, the resonance is very sharp and extremely sensitive to changes in geometry. An automatic tracking of the optimum balance when changing the geometry conditions or changing the component values would be an enormous improvement over the prior art.
Die Nachführung des Antennenabgleichs für Funksysteme zur HF-Signalübertragung für Optimierung von Reichweiten ist bekannt. Dies wird heute im Empfangsmode im Empfänger mit elektronisch kontinuierlich abstimmbaren Kapazitätsdioden mit grossen Erfolg realisiert. Im Sendemode sind diese Bauteile aufgrund der großen Spannungen bzw. Leistungen leider nicht einsetzbar. Hier werden mechanisch kontinuierlich abstimmbare Bauteile wie Kondensatoren und Spulen genutzt. Dieses sind mechanische Lösungen, welche sehr klobig und empfindlich gegenüber statischen Beschleunigungen, Vibrationen, Schmutz, Feuchtigkeit und großen Temperaturänderungen sind. Leider gibt es bis heute für große Leistungen keine Halbleiterlösung.The tracking of the antenna balance for radio systems for RF signal transmission for optimization of ranges is known. This is realized today in receiving mode in the receiver with electronically continuously tunable capacitance diodes with great success. In transmission mode, these components are unfortunately not applicable due to the large voltages or power. Here mechanically continuously tunable components such as capacitors and coils are used. These are mechanical solutions that are very clunky and sensitive to static accelerations, vibrations, dirt, moisture and large temperature changes. Unfortunately, there is no semiconductor solution today for great performances.
Eine andere Möglichkeit ist die Anpassung der Übertragungsfrequenz an die durch die Umwelt gegebene Veränderung der Induktivitätswerts gemäß der daraus resultierenden Resonanzfrequenz aus der aktuellen Schleifeninduktivität und einen festen Parallelkondensator. Dieses Verfahren wird heute bereits praktisch genutzt. Dieses Verfahren ist in der Regel nur für einen sehr engen Frequenzbereich einsetzbar und lässt damit nur eine Veränderung der Schleifengeometrie in engen Grenzen zu. Bei einer zu großen Veränderung tritt die Gefahr einer Instabilität des Oszillators ein.Another possibility is the adaptation of the transmission frequency to the environmental change of the inductance value according to the resulting resonance frequency from the current loop inductance and a fixed parallel capacitor. This procedure is already in practical use today. As a rule, this method can only be used for a very narrow frequency range and thus allows only a change in the loop geometry within narrow limits. If the change is too great, there is a risk of instability of the oscillator.
Des Weiteren ist es für die digitale Sensortelemetrie vorteilhaft, die Frequenz der Versorgungsspannung als Referenz für die Taktaufbereitung in der Rotorelektronik zu nutzen. Dadurch entfällt die Takterzeugung im Rotor, was Bauteile spart, die Baugröße optimiert und auch bei großen Umgebungstemperaturen und sowie Beschleunigungen extrem vorteilhaft ist. Die notwendigen frequenzstabilen Oszillatoren für Umgebungstemperaturen bis zu 180°C und für extreme Beschleunigungen bis 100 000 g sind bis heute nicht verfügbar.Furthermore, it is advantageous for digital sensor telemetry to use the frequency of the supply voltage as a reference for the clock processing in the rotor electronics. This eliminates the clock generation in the rotor, which saves components that Size optimized and extremely advantageous even at high ambient temperatures and accelerations. The necessary frequency stable oscillators for ambient temperatures up to 180 ° C and for extreme accelerations up to 100 000 g are still not available.
Ein weiterer Punkt sind die EMV-Zulassungsbestimmungen. Bekanntermaßen gibt es bestimmte Festfrequenzen, auf denen höhere Übertragungsenergiewerte wie z. B. bei der Frequenz 13,56 MHz zulässig sind. Eine sich verändernde Frequenz würde diesen Vorteil nicht nutzbar machen.Another point is the EMC approval regulations. As is known, there are certain fixed frequencies at which higher transmission energy values such. B. at the frequency 13.56 MHz are allowed. A changing frequency would not make use of this advantage.
Aus den genannten Problemen ergibt sich die Suche nach einer elektronischen Lösung für das geforderte adaptive Anpassungsnetzwerk (
Wünschenswert ist eine Anordnung, welche die genannten Nachteile vermeidet.Desirable is an arrangement which avoids the disadvantages mentioned.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für Nahfeldtelemetrieanlagen die kontaktlose Energieübertragung von Stator zum Rotor (
Wesentliche Aufgabe ist die optimierte Versorgung des Sensors und der Rotorelektronik (
Dabei ist die selbstabgleichende Statorantenne (
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is solved by the features of
Kontaktlose wartungsfreie Übertragungssysteme von bewegten bzw. drehenden Wellen mit qualitativ hoher Signalübertragungsqualität sind von großem Interesse. Ein wesentliches Merkmal ist die zuverlässige kontaktlose und induktive Energieversorgung des Rotors (
Grundsätzlich bestehen Statorantennen (
Das Anpassungsnetzwerk (
Stand der Technik ist die manuelle Bestimmung der Kondensatorwerte. Dazu wird üblicher Weise mit Drehkondensatoren im parallelen Zweig (
Dieser Vorgang ist kompliziert, zeitaufwendig und dem Anwender im Feld nicht zumutbar.This process is complicated, time-consuming and unreasonable for the user in the field.
Der direkte Einsatz von Drehkondensatoren scheidet wegen der fehlenden Temperatur- und Beschleunigungsfestigkeit aus.The direct use of variable capacitors is ruled out because of the lack of temperature and acceleration resistance.
Aus diesem Grunde wurde ein mit feiner Stufung digital einstellbares Anpassungsnetzwerk (
Dieses Netzwerk besteht aus elektronisch steuerbaren Kapazitätsdekaden für den parallelen Zweig (
Die Schalter (
Eine mögliche Lösung des Problems ist die Schaltung der Wechselspannung mit Hilfe eines Diodennetzwerks (
Eine weitere Lösungsmöglichkeit ist in
Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist die Lösung nach
Damit ist ein wesentlicher Punkt zur Lösung der Aufgabenstellung „selbstabgleichende Statorantenne (
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die optimale/optimierte Einstellung des Anpassungsnetzwerkes (
Dazu muss der Anpassungszustand der Statorantenne (
Ein besseres Kriterium für den Abgleich gibt die Auswertung des Signals eines Richtkopplers (
Die Logik (
Vorteilhaft kann ein Mikro-Prozessor oder ein FPGA mit parallelem Ausgabenport und einem integrierten Analogdigitalwandler zur Digitalisierung des Ausgangssignals des Anpassungsdetektors (
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.Advantageous developments are given in the dependent claims.
Die Erfindung wird an Hand folgender Figuren beschrieben.The invention will be described with reference to the following figures.
Es zeigt
Die Logik (
Der serielle Zweig (
Der wesentliche Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass die selbstabgleichende Statorantenne (
Die vorliegende Erfindung korrigiert auch die Toleranzen bei Standardanpassungsnetzwerken automatisch, welche wegen der Umweltbedingungen aus Festkondensatoren aufbaut sind. Festkondensatoren haben in der Regel eine Fertigungstoleranz von bis zu 10%. Dies bedingt immer, dass der notwendige Gesamtkondensatorwert immer aus einer Vielzahl von manuell gemessenen Teilkapazitäten zusammengesetzt werden muss. Dies ist sehr zeitaufwendig beim Fertigungsprozess und kostenintensiv. Die Funktion der selbstabgleichenden Statorantenne ist deshalb ein enormer Produktionsvorteil.The present invention also automatically corrects the tolerances in standard matching networks built from solid capacitors because of environmental conditions. Fixed capacitors usually have a manufacturing tolerance of up to 10%. This always requires that the necessary total capacitor value must always be composed of a multiplicity of manually measured partial capacities. This is very time consuming in the manufacturing process and costly. The function of the self-balancing stator antenna is therefore an enormous production advantage.
In einer besonders kostengünstigen Ausführung wie in
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der Abgleich der Statorantenne (
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung wird die notwendige Energie für die Versorgung der Logik (
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung wird die Frequenz der HF-Spannung (
ZusammenfassungSummary
Für die Übertragung von Sensordaten von drehenden Wellen werden heute Sensortelemetriesysteme eingesetzt. Dabei wird die Vorsorgungsenergie für den Rotor von der Statorantenne zur Rotorantenne berührungslos übertragen. Um gute Übertragungsdistanzen zu erreichen werden sowohl die Statorantenne und Rotorantenne bei der Realisierung auf Resonanz abgeglichen. Dies ist sehr mühsam und zeitaufwendig. Bei sich ändernden Umgebungsbedingungen muß die Anordnung nachgestimmt werden. Nachstehende Erfindung betrifft eine sich selbst abgleichende und sich selbst anpassende Übertragungeinheit, welche aus einer Statorschleifenantenne und einem Rotor besteht. Damit entfällt der sonst übliche Abgleichaufwand bei der Installation der Telemetrieanlage und garantiert optimale Übertragungsbedingung in jeder Situation.Sensor telemetry systems are used today for transmitting sensor data from rotating shafts. The supply energy for the rotor from the stator to the rotor antenna is transmitted without contact. In order to achieve good transmission distances, both the stator antenna and rotor antenna are tuned to resonance in the realization. This is very tedious and time consuming. In changing environmental conditions, the arrangement must be retuned. The present invention relates to a self-aligning and self-adapting transmission unit consisting of a stator loop antenna and a rotor. This eliminates the usual adjustment effort when installing the telemetry system and guarantees optimal transmission conditions in every situation.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- selbstabgleichende Statorantenneself-balancing stator antenna
- 22
- Induktionsspuleinduction coil
- 33
- StatorantennengehäuseStatorantennengehäuse
- 44
- AnpassungsnetzwerkMatching network
- 55
- FET-TransistorFET transistor
- 66
- HF-LeitungRF line
- 77
- Logiklogic
- 88th
- Gleichrichterrectifier
- 99
- FET-SchalterFET switch
- 1010
- Netzteilpower adapter
- 1111
- Anpassungsdetektormatching detector
- 1212
- Ausgangssignal AnpassungdetektorOutput signal adaptation detector
- 1313
- Transistortransistor
- 1414
- Richtkopplerdirectional coupler
- 1515
- Zuleitungsupply
- 1616
- serieller Zweigserial branch
- 1717
- paralleler Zweigparallel branch
- 1818
- Schalterswitch
- 1919
- max. EnergieMax. energy
- 2020
- Magnetfeldamplitudemagnetic field amplitude
- 2121
- DiodennetzwerkDiode network
- 2222
- HF-SpannungRF voltage
- 2323
- Versorgungsspannungsupply voltage
- 2424
- optimaler Abgleichpunktoptimal balance point
- 2525
- Abgleichzustandsbalance state
- 2626
- adaptive Übertragungseinheitadaptive transmission unit
- 2727
- Frequenz der EnergieversorgungFrequency of power supply
- 2828
- Rotorelektronikrotor electronics
- 2929
- Rotorantennerotor antenna
- 3030
- Rotorrotor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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2010
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