DE4019241C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur induktiven Energie- und Signalübertragung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Aus der US-PS 40 06 449 ist ein derartiges, als Informationsdetektor für einen Fahrzeugreifen ausgebildetes System bekannt.

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 Auswertung die Meßdaten bzw. Meßsignale zum Fahrzeug übermittelt werden. Hierzu werden induktive Übertragungssysteme mittels Spulen eingesetzt, die zudem bei der Datenübertragung - anders als beispielsweise optische Übertragungssysteme mit Leuchtdioden - unabhängig von etwaigen Verschmutzungen arbeiten.

Bei der eingangs erwähnten gattungsbildenden Druckschrift US-PS 40 06 449 sind zur geschwindigkeitsunabhängigen induktiven Energie- und Informationsübertragung zwischen dem Fahrzeug und den Rädern bzw. Reifen zwei fahrzeugfeste Stabspulen mit E-förmigem Kern (sogenannte Stator-Spulen) und eine im Rad integrierte langgestreckte, plane Flachspule (die sogenannte Rotor- Spule) vorgesehen.

Aus der DE-OS 35 12 824 ist eine Einrichtung zur kontaktlosen Stromversorgung einer auf einer drehbaren Achse befestigten Apparatur bekannt. Die Rotor-Spule ist flach, jedoch nicht langgestreckt, und als gewickelte Spule realisiert; die Stator-Spule ist nicht als massive Spule mit E-förmigem Kern ausgebildet. In der US-PS 43 59 657 wird ein Rotationsgeschwindigkeitssignaldetektor (Frequenzmesser) beschrieben, bei dem die Stator-Spule keine massive Spule mit E-förmigem Kern und der Signalgeber des rotierenden Bezugssystems keine Spule ist. Schließlich ist aus der GB-PS 15 17 683 ein Rotations-Umwandler bekannt, bei dem die Signalübertragung vom rotierenden Bezugssystem durch zwei Folien erfolgt und der demnach keine massive Stator-Spule mit E-förmigem Kern aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches System zur induktiven Energie- und Signalübertragung anzugeben, das vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Rotor-Spule des Systems zur induktiven Energie- und Signalübertragung wird gemäß der Erfindung als Flachspule durch eine Leiterbahnstruktur auf einer langgestreckten, planen Folie realisiert, die vorzugsweise in einem Laminat von flexiblen Folien eingebettet ist; zur Optimierung der magnetischen Kopplung zur Stator-Spule und zur Vermeidung von Wirbelströmen wird eine Flußleitfolie aus hochpermeablem Material in die Laminatstruktur einlaminiert. Die flexible Laminatstruktur wird als langer, planer Streifen gefertigt und kann bei der Montage in die gewünschte Form gebracht werden. Beispielsweise kann sie zur Montage in der Felge eines Kraftfahrzeugrads zu einem Ring gebogen und an die Felge geklebt werden; zwischen den Streifenenden bleibt entweder eine Fuge oder die Laminatstruktur wird überlappend aufeinandergeklebt. Die Zahl der Windungen der Flachspule wird anhand des Übertragungsverhaltens des Übertragungssystems optimiert, wobei einerseits ein hoher Wirkungsgrad angestrebt wird und andererseits die benötigte Spannung als Randbedingung berücksichtigt werden muß.

Die Stator-Spule des induktiven Übertragungssystems wird durch eine einzige massive Spulenordnung mit E-förmigem Kern realisiert, so daß die magnetische Kopplung zur langgestreckten Rotor-Flachspule groß ist. 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 Übertragungsfrequenz dementsprechend vorgegeben.

Das vorgestellte System vereinigt mehrere Vorteile in sich:

• - da nur eine einzige Stator-Spule mit E-förmigem Kern vorgesehen ist, ist eine einfache bidirektionale Energie- und Signalübertragung zwischen Stator- Spule und Rotor-Spule möglich.
• - die Rotor-Flachspule kann in ihrer Länge und Form variabel gewählt werden, so daß sie einerseits leicht an Unterlagen mit unterschiedlicher Länge (beispielsweise Felgen) angepaßt und andererseits auf maßtoleranzbehaftete Unterlagen problemlos aufgebracht werden kann.
• - wegen des Aufbaus der Rotor-Flachspule auf einer Folie und deren Integration in einer flexiblen Folien- Laminatstruktur ist neben einer Kosteneinsparung durch die kostengünstige Folienstruktur auch eine einfache Montage (beispielsweise mittels Einkleben oder Aufbügeln der Folienstruktur) auf beliebig geformte Unterlagen möglich; die Laminatstruktur läßt sich zudem sehr platzsparend 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; das heißt, die Spule des festen Bezugssystems kann mittels der Folienstruktur realisiert werden und die Rotor-Spule kann die E-förmige Spule sein.

Claims (17)

1. System zur induktiven Energie- und Signalübertragung zwischen einem festen und einem rotierenden Bezugssystem, mit einer massiven Stator-Spule mit E-förmigem Kern und mit einer als langgestreckte, plane Flachspule ausgebildeten Rotor-Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die bidirektionale Energie- und Signalübertragung mittels einer einzigen Stator-Spule erfolgt, daß die Rotor- Spule durch eine auf einer Folie (4) aufgebrachte Leiterbahnstruktur (11) gebildet ist, und daß die Folie (4) derart flexibel ist, daß die Rotor-Spule eine beliebige Form haben kann.

2. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Folie (4) aufgebrachte Leiterbahnstruktur (11) aus Kupfer (6) besteht und Anschlüsse (13) sowie Durchkon­ taktierungen aufweist.

3. Energie- und Signalübertragungssystem nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ terbahnfolie (4) in einer planen Laminatstruktur (10) aus mehreren Folien integriert ist.

4. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fo­ lien-Laminatstruktur (10) aus flexiblen Folien besteht, und eine beliebige Form haben kann.

5. Energie- und Signalübertragungssystem nach Anspruch 4, 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.

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

7. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff- Folien aus Polyimid oder Polyester bestehen.

8. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitfo­ lie (2) mit hoher magnetischer Permeabilität aus amor­ phem Metall besteht oder als metallisches Glas ausge­ bildet ist.

9. Energie- und Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (30) zur Energieversorgung der Spulen und zur Auswertung des Übertragungssignals vorgesehen sind.

10. Energie- und Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Bezugssystem ein Fahrzeug und das rotierende Be­ zugssystem ein Rad des Fahrzeugs ist.

11. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 10, 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 ist.

12. Energie- und Signalübertragungssystem nach An­ spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Spu­ le (20) mittels einer Halterung (21) am Fahrzeug befe­ stigt und die Folien-Laminatstruktur (10) mit der Rotor-Spule als Ringspule in der Rad-Felge (40) ange­ ordnet ist.

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

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien-Laminatstruktur (10) auf die Felge (40) aufgeklebt oder aufgebügelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, 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.

16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Folien-Laminatstruktur (10) derart aufgebracht wird, daß zwischen den Folienenden ein Spalt (14) bestehen bleibt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, 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.