EP1315178B1 - Dreidimensionale Wicklungsanordnung - Google Patents

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EP1315178B1
EP1315178B1 EP02024177A EP02024177A EP1315178B1 EP 1315178 B1 EP1315178 B1 EP 1315178B1 EP 02024177 A EP02024177 A EP 02024177A EP 02024177 A EP02024177 A EP 02024177A EP 1315178 B1 EP1315178 B1 EP 1315178B1
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EP
European Patent Office
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winding
winding arrangement
cubes
edges
semi
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EP02024177A
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Guntram Dr.-Ing. Scheible
Berthold Dipl.-Ing. Dilger
Christian Willmes
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H01F27/325—Coil bobbins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/02—Coils wound on non-magnetic supports, e.g. formers
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    • H01F5/00—Coils
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    • H01F2005/027—Coils wound on non-magnetic supports, e.g. formers wound on formers for receiving several coils with perpendicular winding axes, e.g. for antennae or inductive power transfer

Definitions

  • the invention relates to a three-dimensional winding arrangement according to the The preamble of claim 1.
  • the invention can be used, for example, to supply energy can be used by sensors and / or actuators from a magnetic field.
  • DE 39 22 556 C3 describes an arrangement for contactless energy and sensor signal transmission with an RF transmitter to build an unmodulated magnetic High-frequency field known via a transmitter coil, in which a transponder records high-frequency magnetic fields and uses them to supply energy. With The supply energy obtained from the magnetic field becomes sensor and Transponder supplied.
  • DE 100 55 404 A1 describes an arrangement for generating electrical energy known from a magnetic field at which three Windings with mutually perpendicular winding axes are applied directly to a cube-shaped magnetic core.
  • US4287 809 is a three-dimensional winding arrangement known according to the preamble of claim 1.
  • the invention has for its object to be a very effective and simple and compact three-dimensional winding arrangement for generating electrical Specify energy from a magnetic field.
  • the advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that one compact, reproducible geometry of the winding arrangement results - d. H. it result very reproducible electrical values (inductance, capacitance) an additional subsequent, cost-intensive coordination (e.g. everyone individual winding in series production).
  • the one for the winding arrangement available space is used optimally, d. H. versus conventionally wound Space is saved in windings.
  • the winding arrangement is inexpensive to manufacture.
  • the general advantage of a three-dimensional winding is that the three-dimensional winding arrangement no special orientation depending on the magnetic field serving for energy supply always requires an optimal To achieve "energy yield".
  • the three-dimensional winding arrangement is rather always “automatically” optimal in all possible positions with regard to the magnetic field aligned what an optimal reception and an optimal energetic utilization with moving sensors and / or actuators.
  • the proposed three-dimensional winding arrangement is particularly suitable for an arrangement for wireless supply proposed in DE 199 26 799 A1 a variety of sensors with electrical energy using at least one primary winding fed by a medium-frequency oscillator (primary coil, transmitter coil), wherein each sensor has at least one for energy absorption from a medium frequency Magnetic field (range from about 15 kHz to about 15 MHz) suitable secondary winding (Secondary coil, receiving coil).
  • primary coil, transmitter coil a medium-frequency oscillator
  • each sensor has at least one for energy absorption from a medium frequency Magnetic field (range from about 15 kHz to about 15 MHz) suitable secondary winding (Secondary coil, receiving coil).
  • the secondary windings required there can very well by the proposed three-dimensional winding arrangement will be realized.
  • the advantage of always “automatically” optimal alignment with regard to the magnetic field and thus the optimal energy yield is particularly with sensors mounted on moving machine components (proximity sensors) significant.
  • the proposed three-dimensional winding arrangement is also very good suitable for a wireless arrangement proposed in DE 199 26 562 A1 Supply of a large number of actuators with electrical energy, which also produces Magnetic field is used for energy transmission.
  • Fig. 1 the winding carrier and core of the winding arrangement are before assembly shown.
  • the cube-shaped, central core 1 made of magnetically active material is covered by a winding carrier formed from two hollow half-cubes 2, 8.
  • the two essentially symmetrical half-cubes 2, 8 consist of one electrically insulating plastic material.
  • All four edges or corners of the outer lateral surface 3 of the half-cube 2 are raised Edges 4, 5, 6, 7 are formed.
  • all four edges of the Outer lateral surface 9 of the cube 8 is designed as raised edges 10, 11, 12, 13.
  • the distance between an outer surface of a raised edge 4, 5, 6, 7 and Outer surface 3 or between a raised edge 10, 11, 12, 13 and the outer surface 9 corresponds at least to the winding thickness.
  • Fig. 2 shows the assembled winding carrier before the winding.
  • Core 1 is complete enclosed by the two half-cubes 2, 8.
  • an adhesive is introduced to a Ensure protection against lateral displacement and a robust, vibration-proof and to ensure permanent fixation.
  • the inner surfaces of the Half cubes 2, 8 are provided with flexible knobs, which compensate for tolerances between allow the outer dimensions of the core and the inner dimensions of the half-cubes 2, 8 and at the same time a centering and immovable fixation of the enclosed Ensure core.
  • Another alternative is the introduction of an elastic Foam material or other elastic material between the inner wall the half-cubes 2, 8 and core 1.
  • the open, mutually facing side edges of the two half-cubes 2, 8 can be designed as tongues or grooves to lock the two half cubes cause.
  • FIG 3 shows a completed three-dimensional winding arrangement.
  • the lower winding 14 along the space C On the winding support 2 + 8 three windings 14, 15, 16 are applied, the lower winding 14 along the space C, the middle winding 15 along the space B and the upper winding 16 runs along the space A.
  • winding connections 17 arranged on the raised edges 5, 6, 7 the three windings 14, 15, 16 are electrically connected. These act as contact pins Trained winding connections 17 are directly with conductor tracks of a circuit board solderable (SMD technology, surface mounted device).
  • SMD technology surface mounted device
  • the electrical winding connection is also in place of the contact surfaces shown contact pins can be realized.
  • the three-dimensional winding arrangement formed is used to generate electrical Energy from a magnetic field.
  • the winding axes of the three windings 14, 15, 16 are arranged at right angles to each other and intersect in a common one Point.
  • the Windings 14, 15, 16 together with resonance capacitors each have series resonance circuits or parallel resonance circuits, which are preferably connected to rectifiers are connected.
  • the rectifiers are each on the secondary side with backup capacitors Mistake.
  • the DC connections of all rectifiers are to be fed in series with one Load - for example a sensor measuring unit or sensor electronics or a control unit of an actuator - connected.

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  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dreidimensionale Wicklungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zur Energieeinspeisung von Sensoren und/oder Aktoren aus einem Magnetfeld verwendet werden.
Aus der DE 39 22 556 C3 ist eine Anordnung zur kontaktlosen Energie- und Sensorsignalübertragung mit einem HF-Sender zum Aufbau eines unmodulierten magnetischen Hochfrequenzfeldes über eine Sendespule bekannt, bei der ein Transponder das hochfrequente Magnetfeld aufnimmt und zu seiner Energieversorgung heranzieht. Mit der aus dem magnetischen Feld gewonnenen Versorgungsenergie werden Sensor und Transponder versorgt.
Aus der DE 100 55 404 A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bekannt, bei der drei Wicklungen mit jeweils zueinander senkrecht stehenden Wicklungsachsen direkt auf einen würfelförmigen Magnetkern aufgebracht sind.
Aus der US4287 809 ist eine dreidimensionale Wicklungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr wirksame und dabei einfach und kompakt aufgebaute dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld anzugeben.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine kompakte, reproduzierbare Geometrie der Wicklungsanordnung ergibt - d. h. es ergeben sich sehr gut reproduzierbare elektrische Werte (Induktivität, Kapazität), wodurch sich eine zusätzliche nachträgliche, kostenintensive Abstimmung (beispielsweise jeder einzelnen Wicklung bei einer Serienfertigung) erübrigt. Der für die Wicklungsanordnung verfügbare Raum wird optimal ausgenutzt, d. h. gegenüber konventionell gewickelten Wicklungen wird Raum eingespart. Die Wicklungsanordnung ist kostengünstig herstellbar.
Der allgemeine Vorteil einer dreidimensionalen Wicklung ist darin zu sehen, daß die dreidimensionale Wicklungsanordnung keine spezielle Ausrichtung in Abhängigkeit des zur Energieeinspeisung dienenden Magnetfeldes erfordert, um stets eine optimale "Energieausbeute" zu erzielen. Die dreidimensionale Wicklungsanordnung ist vielmehr stets in allen möglichen Positionen "automatisch" optimal bezüglich des Magnetfeldes ausgerichtet, was einen optimalen Empfang und eine optimale energetische Ausnutzung bei bewegten Sensoren und/oder Aktoren ermöglicht.
Die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung ist insbesondere geeignet für eine in der DE 199 26 799 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung (Primärspule, Sendespule), wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld (Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz) geeignete Sekundärwicklung (Sekundärspule, Empfangsspule) aufweist. Die dort erforderlichen Sekundärwicklungen können sehr gut durch die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung realisiert werden. Der Vorteil der stets "automatisch" optimalen Ausrichtung bezüglich des Magnetfeldes und damit der optimalen Energieausbeute ist insbesondere bei an beweglichen Maschinenkomponenten montierten Sensoren (Näherungssensoren) bedeutsam.
Die vorgeschlagene dreidimensionale Wicklungsanordnung ist des weiteren bestens geeignet für eine in der DE 199 26 562 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, wobei ebenfalls das produzierte Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird.
Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig.1
Wicklungsträger und Kern der Wicklungsanordnung vor dem Zusammenbau,
Fig. 2
den montierten Wicklungsträger vor der Bewicklung,
Fig. 3
eine fertiggestellte dreidimensionale Wicklungsanordnung.
In Fig. 1 sind Wicklungsträger und Kern der Wicklungsanordnung vor dem Zusammenbau dargestellt. Der würfelförmige, zentrale Kern 1 aus magnetisch wirksamem Material wird von einem aus zwei hohlen Halbwürfeln 2, 8 gebildeten Wicklungsträger abgedeckt. Die beiden im wesentlichen symmetrischen Halbwürfel 2, 8 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial.
Alle vier Kanten bzw. Ecken der Außenmantelfläche 3 des Halbwürfels 2 sind als erhabene Kanten 4, 5, 6, 7 ausgebildet. In gleicher Weise sind auch alle vier Kanten der Außenmantelfläche 9 des Halbwürfels 8 als erhabene Kanten 10, 11, 12, 13 ausgebildet. Der Abstand zwischen einer Außenfläche einer erhabenen Kante 4, 5, 6, 7 und der Außenmantelfläche 3 bzw. zwischen einer erhabenen Kante 10, 11, 12, 13 und der Außenmantelfläche 9 entspricht mindestens der Wicklungsstärke.
Fig. 2 zeigt den montierten Wicklungsträger vor der Bewicklung. Der Kern 1 ist vollständig von den beiden Halbwürfeln 2, 8 umschlossen. Vorzugsweise ist zwischen Kern 1 und Innenmantelflächen der Halbwürfel 2, 8 ein Klebstoff eingebracht, um einen Schutz vor seitlicher Verschiebung sicherzustellen und eine robuste, rüttelsichere und dauerhafte Fixierung zu gewährleisten. Alternativ hierzu sind die Innenflächen der Halbwürfel 2, 8 mit flexiblen Noppen versehen, welche einen Toleranzausgleich zwischen den Außenmaßen des Kerns und den Innenmaßen der Halbwürfel 2, 8 ermöglichen und gleichzeitig eine Zentrierung und unverrückbare Fixierung des eingeschlossenen Kerns sicherstellen. Eine weitere Alternative stellt das Einbringen eines elastischen Schaumstoffmaterials oder eines sonstigen elastischen Materials zwischen Innenwandung der Halbwürfel 2, 8 und Kern 1 dar.
Die offenen, einander zugewandten Seitenkanten der beiden Halbwürfel 2, 8 können als Federn bzw. Nuten ausgebildet sein, um ein Verrasten der beiden Halbwürfel zu bewirken.
Wie gut in Fig. 2 zu erkennen ist, werden zwischen zwei erhabenen Kanten jeweils umlaufende Abstandsräume A, B, C zur Wicklungsführung der dreidimensionalen Wicklungsanordnung gebildet, und zwar
  • Abstandsräume A zwischen den Kanten 10, 11, den Kanten 4, 5, den Kanten 6, 7 und den Kanten 12, 13,
  • Abstandsräume B zwischen den Kanten 11, 12, den Kanten 5, 6, den Kanten 4, 7 und den Kanten 10, 13,
  • Abstandsräume C zwischen den Kanten 4, 10, den Kanten 5, 11, den Kanten 6, 12 und den Kanten 7,13.
Durch diese als durchgehende Wicklungspassagen dienenden Abstandsräume A, B, C wird jeweils die Wicklungsbreite der aufzubringenden Wicklungen festgelegt.
Fig. 3 zeigt eine fertiggestellte dreidimensionale Wicklungsanordnung. Auf den Wicklungsträger 2 + 8 sind drei Wicklungen 14, 15, 16 aufgebracht, wobei die untere Wicklung 14 längs des Abstandsraumes C, die mittlere Wicklung 15 längs des Abstandsraumes B und die obere Wicklung 16 längs des Abstandsraumes A verläuft. Über beispielsweise an den erhabenen Kanten 5, 6, 7 angeordnete Wicklungsanschlüsse 17 erfolgt der elektrische Anschluß der drei Wicklungen 14, 15, 16. Diese als Kontaktstifte ausgebildete Wicklungsanschlüsse 17 sind direkt mit Leiterbahnen einer Leiterplatte verlötbar (SMD-Technik, Surface Mounted Device).
Alternativ ist der elektrische Wicklungsanschluß auch über Kontaktflächen an Stelle der gezeigten Kontaktstifte realisierbar.
In diesem Zusammenhang stellt es einen besonderen Vorteil dar, wenn beispielsweise die erhabenen Kanten 4, 5, 6, 7 an ihren nach außen gerichteten Flächen mit Rastnasen versehen sind, welche ein Einrasten in eine Leiterplatte und somit die mechanische Fixierung der dreidimensionalen Wicklungsanordnung an einer Leiterplatte ermöglichen.
Die gebildete dreidimensionale Wicklungsanordnung dient zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld. Die Wicklungsachsen der drei Wicklungen 14, 15, 16 sind jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt. Zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bilden die Wicklungen 14, 15, 16 zusammen mit Resonanzkondensatoren jeweils Serien-Resonanzkreise oder Parallel-Resonanzkreise, welche vorzugsweise an Gleichrichter angeschlossen sind. Die Gleichrichter sind sekundärseitig jeweils mit Stützkondensatoren versehen. Die Gleichanschlüsse aller Gleichrichter sind in Serie mit einer zu speisenden Last - beispielsweise einer Sensor-Meßeinheit oder einer Sensor-Elektronik bzw. einer Ansteuereinheit eines Aktors - verschaltet.

Claims (7)

  1. Dreidimensionale Wicklungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld, mit drei Wicklungen (14, 15, 16), deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden, wobei ein würfelförmiger Wicklungsträger vorgesehen ist welcher einen Kern (1) aus einem magnetisch wirksamen Material umschließt und welcher an seinen acht Ecken mit erhabenen Kanten (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) versehen ist, wobei der Abstand zwischen einer Außenfläche einer erhabenen Kante (4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13) und der Außenmantelfläche (3, 9) des Würfels mindestens der Wicklungsstärke entspricht und wobei zwischen zwei erhabenen Kanten jeweils umlaufende Abstandsräume (A, B, C) zur Wicklungsführung bzw. Einlage der Wicklungen (14, 15, 16) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger aus zwei hohlen, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial bestehenden Halbwürfeln (2, 8) zusammengesetzt ist.
  2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Innenmantelflächen der Halbwürfel (2, 8) und dem Kern (1) ein Klebstoff eingebracht ist.
  3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innenflächen der Halbwürfel (2, 8) mit flexiblen Noppen versehen sind.
  4. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenwandung der Halbwürfel (2, 8) und dem Kem (1) ein elastisches Material, vorzugsweise Schaumstoffmaterial, eingebracht ist.
  5. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Seitenkanten der Halbwürfel (2, 8) als verrastbare Federn bzw. Nuten ausgebildet sind.
  6. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktstifte oder Kontaktflächen ausgebildete Wicklungsanschlüsse (17) an erhabenen Kanten angeordnet sind.
  7. Wicklungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne erhaben Kanten an ihren nach außen gerichteten Flächen mit für eine Montage auf einer Leiterplatte geeigneten Rastnasen versehen sind.
EP02024177A 2001-11-27 2002-10-29 Dreidimensionale Wicklungsanordnung Expired - Lifetime EP1315178B1 (de)

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