DE4019241A1 - Energie- und signaluebertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Energie- und Signalübertra­ gungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Um beispielsweise bei Kraftfahrzeugen elektronische Messungen im Reifen - beispielsweise des Luftdrucks oder der Temperatur - durchführen zu können, muß für die im Reifen integrierte Meßelektronik Energie zur Verfügung gestellt werden; außerdem müssen zur Auswer­ tung die Meßdaten bzw. Meßsignale zum Fahrzeug übermit­ telt werden. Zu diesem Zweck werden induktive Übertra­ gungssysteme mittels Spulen eingesetzt, die zudem bei der Datenübertragung - anders als beispielsweise opti­ sche Übertragungssysteme mit Leuchtdioden - unabhängig von etwaigen Verschmutzungen arbeiten.

Bekannte Vorschläge zur geschwindigkeitsunabhängigen induktiven Energie- und Informationsübertragung zwi­ schen dem Fahrzeug und den Rädern verwenden eine fahr­ zeugfeste - beispielsweise am Fahrzeugblech befestigte - Stabspule, die sogenannte Stator-Spule, und im Rad eine massive, geschlossene Ringspule mit einem tangen­ tial gewickelten Spulenkörper, die sogenannte Rotor- Spule, wobei die Rotor-Spule in der Felge integriert ist und folglich mit dem Rad mitrotiert.

Der feste Durchmesser der Ringspule muß für jeden Fel­ gentyp spezifisch vorgegeben werden, wobei es wegen der Maßtoleranzen der Felge Probleme beim Einbau geben kann; bei einer anderen Felge muß auch eine andere Spu­ le eingesetzt werden. Zudem ist die Befestigung der Ringspule bei den Umgebungsbedingungen - Fliehkraft, Temperatur, Schütteln etc. - außerordentlich kritisch. Die relativ große Ringspule wird zu ihrem Schutz und wegen der mechanischen Stabilität in Polyamid einge­ spritzt, was einerseits Platzprobleme und andererseits hohe Kosten verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energie- und Signalübertragungssystem anzugeben, das die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine der beiden Spulen des induktiven Übertragungssy­ stems wird gemäß der Erfindung als Flachspule durch eine Leiterbahnstruktur auf einer langgestreckten, pla­ nen Folie realisiert, die vorzugsweise in einem Laminat von flexiblen Folien eingebettet ist; zur Optimierung der magnetischen Kopplung zur anderen Spule des induk­ tiven Übertragungssystems und zur Vermeidung von Wir­ belströmen wird eine Flußleitfolie aus hochpermeablem Material in die Laminatstruktur einlaminiert. Die fle­ xible Laminatstruktur wird als langer, planer Streifen gefertigt und kann bei der Montage in die gewünschte Form gebracht werden. Beispielsweise kann sie zur Mon­ tage in der Felge eines Kraftfahrzeugrads zu einem Ring gebogen und an die Felge geklebt werden; zwischen den Streifenenden bleibt entweder eine Fuge oder die Lami­ natsstruktur wird überlappend aufeinandergeklebt. Die Zahl der Windungen der Flachspule wird anhand des Über­ tragungsverhaltens des Übertragungssystems optimiert, wobei einerseits ein hoher Wirkungsgrad angestrebt wird und andererseits die benötigte Spannung als Randbedin­ gung berücksichtigt werden muß.

Die andere Spule des induktiven Übertragungssystems wird so gestaltet, daß die magnetische Kopplung zur langgestreckten Flachspule möglichst groß ist; dies wird vorzugsweise durch eine massive Spulenanordnung mit einem E-förmigen Kern erreicht.

Die Übertragungsfrequenz zwischen den beiden Spulen wird in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen derart gewählt, daß die Verluste auf der Übertragungsstrecke minimiert werden und der Wirkungsgrad optimal ist; dazu wird das Güte-Optimum der Spulen bestimmt und die Über­ tragungsfrequenz dementsprechend vorgegeben.

Die Flachspule als eine der beiden Übertragungsspulen kann in ihrer Länge und ihrer Form variabel gewählt werden, so daß sie einerseits leicht an Unterlagen mit unterschiedlicher Länge - beispielsweise Felgen - ange­ paßt und andererseits auf maßtoleranzbehaftete Unterla­ gen problemlos aufgebracht werden kann.

Wegen des Aufbaus der Flachspule auf einer Folie und deren Integration in einer flexiblen Folien-Laminat­ struktur ist neben einer Kosteneinsparung durch die ko­ stengünstige Folienstruktur auch eine einfache Montage - beispielsweise mittels Einkleben oder Aufbügeln der Folienstruktur - auf beliebig geformte Unterlagen mög­ lich; die Laminatstruktur läßt sich zudem sehr platz­ sparend übereinander stapeln.

Durch den modularen Aufbau des Übertragungssystems - die Spulen sind von der Auswerte-/Versorgungselektronik getrennt - können Spulen und Elektronik in vorteilhaf­ ter Weise getrennt voneinander gefertigt werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 näher beschrieben werden, wobei die Fig. 1 die Fo­ lien-Laminatstruktur in einer Ansicht quer zur Rotationsachse zeigt, in der Fig. 2 die beiden Spulen des induktiven Übertragungssystems in Richtung der Rotationsachse dargestellt sind und in der Fig. 3 der schematische Aufbau des induktiven Übertragungssystems bei einem Kraftfahrzeug wiedergegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel für die Schicht- bzw. Laminat­ struktur der Folie, in der die Flachspule integriert ist, ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Laminatstruk­ tur 10 umfaßt fünf aufeinander angeordnete Schichten:

• - Die Grundfolie bzw. Trägerfolie 1, beispielsweise eine Kunststoff-Folie aus Polyimid, die mit Kleber beschichtet ist und zum Aufbringen der Laminat­ struktur auf eine Unterlage verwendet wird.
• - Die Flußleitfolie 2 mit hoher magnetischer Permea­ bilität, beispielsweise ein amorphes Metall oder ein metallisches Glas; diese Folie 2 dient zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Übertragungssystems.
• - Die Folie 3, beispielsweise eine Kunststoff-Folie aus Polyimid, die als Abdeckung und Isolierung fungiert.
• - Die Folie 4, die beidseitig mit Kupfer 6 beschich­ tet ist, wird mittels üblicher Methoden strukturiert bsp. geätzt so daß Leiterbahnen 11 entstehen. Auf der Oberseite weist die Folie 4 zwei Durchkontaktierungen für die Anschlüsse auf. Durch die Folie 4 wird die Leiterbahnstruktur 11 und damit die Anordnung der Flachspule vorgegeben.
• - Die Deck- bzw. Schutzfolie 5, beispielsweise aus Polyimid oder Polyester, die zum Schutz der Leiterbahnfolie 4 gegenüber Verunreinigungen und Beschädigungen dient.

In der Fig. 2a ist die Anordnung der Flachspule auf der Leiterbahnfolie 4 in einer Ansicht quer zur Rotationsachse dargestellt, wobei die Leiterbahnfolie 4 als langer, planer Streifen ausgebildet ist. Auf der Folie 4 sind Leiterbahnen 11 vorgesehen, die die Windungen der Flachspule vorgeben und die in die Anschlußleitungen 13 münden, die beispielsweise zu vergoldeten Anschlüssen führen. In der Fig. 2a sind lediglich drei Windungen der Flachspule dargestellt; mit der Bezugsziffer 12 sind die Richtungen der Feldli­ nien der Flachspule gekennzeichnet. Zur Vermeidung von Leiterbahnkreuzungen können Durchkontaktierungen auf der Leiterbahnfolie 4 vorgesehen werden; zwischen den Spulenenden ist ein Spalt 14 vorhanden. Die andere Spule 20, beispielsweise die fahrzeugseitige Spule, weist einen E-förmigen Kern auf.

In der Fig. 2b ist in einer Ansicht in Richtung der Rotationsachse dargestellt, wie die Folien- Laminatstruktur 10 - beispielsweise für den Einbau in der Felge eines Kraftfahrzeugrads - zu einem Ring zusammengebogen wurde. Die Spule 20 ist in unmittelbarer Nähe der Folien-Laminatstruktur 10 angeordnet.

Der schematische Aufbau des induktiven Übertragungssy­ stems zwischen einem Kraftfahrzeug und einem der Räder ist in der Fig. 3 dargestellt.

Die in der Laminatstruktur 10 integrierte Flachspule ist gemäß der Leiterbahnstruktur 11 vorgegeben; die Spule besitzt beispielsweise eine Länge von 1,50 m und beispielsweise 20 Windungen. Die Laminatstruktur 10 wird auf die Felge 40 aufgebracht, beispielsweise auf­ geklebt oder aufgebügelt, und mit der Elektronik 30, beispielsweise einem Sensor, über zwei Anschlußkontakte kontaktiert.

Die fahrzeugfeste Spule 20 mit dem E-förmigen Kern wird mit der Halterung 21 - während der Fertigung des Fahr­ zeugs - beispielsweise an der Bremszange befestigt.

In der Fig. 3 sind auch die Feldlinien 22 der E-förmi­ gen Spule 20 eingezeichnet; wie man erkennt, um­ schließen die Feldlinien 22 diejenigen der Folien-Lami­ natstruktur 10, so daß eine gute magnetische Kopplung zwischen beiden Spulen des Übertragungssystems erreicht wird. Die Folienschicht 2 aus hochpermeablem Material verhindert das Eindringen der Feldlinien 22 in die Aluminium-Felge 40 und damit das unerwünschte Auftreten von verlustreichen Wirbelströmen.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt; beispielsweise können auch mehrere Folien-Laminatstrukturen übereinanderge­ klebt oder eine Folien-Laminatstruktur kann mehrfach überlappend aufeinander geklebt werden. Dabei sollte aber ein Überlappen der Flußleitfolie vermieden werden, beispielsweise dadurch, daß diese Folie hinreichend kurz gemacht wird. Die Überlappung der Folien­ Laminatstruktur führt zu einer Erhöhung der Flußdichte, wodurch die magnetische Kopplung und damit das Übertra­ gungsverhalten zwischen den beiden Spulen des Übertra­ gungssystems verbessert wird.

Auch läßt sich die Anordnung der beiden Spulen vertau­ schen; daß heißt, die Spule des festen Bezugssystems kann mittels der Folienstruktur realisiert werden und die Rotor-Spule kann die E-förmige Spule sein.

Claims (19)

1. Energie- und Signalübertragungssystem zwischen einem festen und einem rotierenden Bezugssystem, wobei die Energie- und Signalübertragung induktiv über die Kopp­ lung zwischen einer Stator-Spule und einer Rotor-Spule erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Spulen als langgestreckte, plane Flachspule ausgebildet ist.

2. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Spule eine massive Spule (20) mit einem E-förmigen Kern ist.

3. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreck­ te, plane Flachspule durch eine auf einer Folie (4) aufgebrachte Leiterbahnstruktur (11) gebildet wird, und daß die Folie (4) derart flexibel ist, daß die Flach­ spule in eine beliebige Form gebracht werden kann.

4. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Folie (4) aufgebrachte Leiterbahnstruktur (11) aus Kupfer (6) besteht und Anschlüsse (13) sowie Durchkon­ taktierungen aufweist.

5. Energie- und Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ terbahnfolie (4) in einer planen Laminatstruktur (10) aus mehreren Folien integriert ist.

6. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fo­ lien-Laminatstruktur (10) aus flexiblen Folien besteht, und in eine beliebige Form gebracht werden kann.

7. Energie- und Signalübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien-Laminatstruk­ tur (10) eine Grund-/Trägerfolie (1), eine Flußleitfo­ lie (2), eine Isolierfolie (3), die Leiterbahnfolie (4) sowie eine Schutz-/Abdeckfolie (5) aufweist.

8. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfo­ lie (1), die Isolierfolie (3), die Leiterbahnfolie (4) sowie die Abdeckfolie (5) als temperaturfeste Kunst­ stoff-Folien ausgebildet sind.

9. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff- Folien aus Polyimid oder Polyester bestehen.

10. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitfo­ lie (2) mit hoher magnetischer Permeabilität aus amor­ phem Metall besteht oder als metallisches Glas ausge­ bildet ist.

11. Energie- und Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30) zur Energieversorgung der Spulen und zur Auswertung des Übertragungssignals vorgesehen sind.

12. Energie- und Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Bezugssystem ein Fahrzeug und das rotierende Be­ zugssystem ein Rad des Fahrzeugs ist.

13. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die fahrzeugsei­ tige Stator-Spule die Spule (20) mit dem E-förmigen Kern ist und die radseitige Rotor-Spule durch die Folien-Laminatstruktur (10) gebildet wird.

14. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Spu­ le (20) mittels einer Halterung (21) am Fahrzeug befe­ stigt ist und die Folien-Laminatstruktur (10) mit der Rotor-Spule als Ringspule in der Rad-Felge (40) ange­ ordnet ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Energie- und Si­ gnalübertragungssystems nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckte, plane Folien-Laminatstruktur (10) zu einem Ring gebogen und in der Felge (40) befestigt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien-Laminatstruktur (10) auf die Felge (40) aufgeklebt oder aufgebügelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Folien-Laminatstruktur (10) ein- oder mehrfach überlappend aufgebracht wird, wobei an der Stelle des mechanischen Kontakts kein elektrischer Kon­ takt besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Folien-Laminatstruktur (10) derart aufgebracht wird, daß zwischen den Folienenden ein Spalt (14) bestehen bleibt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Spule (20) so groß gewählt wird, daß die Energie- und Signalübertragung zwischen der Stator- Spule (20) und der Folien-Laminatstruktur (10) auch dann gewährleistet bleibt, wenn die Stator-Spule (20) vor dem Spalt (14) steht.