NO338395B1 - Anordning og fremgangsmåte for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon - Google Patents

Description

ANORDNING OG FREMGANGSMÅTE FOR TRÅDLØS OVERFØRING AV EFFEKT OG KOMMUNIKASJON

Oppfinnelsen vedrører en anordning for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon. Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for fremstilling av en slik anordning. En slik anordning kan brukes til overføring av energi og kommunikasjoner gjennom luft, vann, plast, glass, olje og andre materialer som ikke er elektrisk ledende. Anordningen kan også brukes til overføring gjennom ikke-magnetiske elektrisk ledende materialer ved operering av effekt og kommunikasjon i frekvensområdet 1-50 kHz. Styringssignalet kan da sendes fra sekundærsiden til primærsiden ved å la sekundærsiden modulere amplituden av svitsjingssignalet. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen en anordning for overføring av effekt og kommunikasjon, hvor anordningen omfatter en primær komponent og en sekundær komponent anordnet i en avstand fra hverandre, og hvor hver av den primære komponenten og den sekundære komponenten omfatter en basis (eller substrat), som i det minste delvis er anordnet i et ferrittomfattende materiale, hvor anordningen videre omfatter en energikilde og en styringselektronikk forbundet i det minste til den primære komponenten, og en tilbakemeldingselektronikk og last forbundet i det minste til den sekundære komponenten. Elektronikken muliggjør regulering av energioverføringen.

Ved å forbinde styringselektronikk, energikilde, tilbakemeldingselektronikk og last bå-de til de primære og sekundære komponentene, kan overføring av energi oppnås i begge retninger. Dette kan være nyttig i implementeringer av et induktivt batteri hvor både lading og utlading skjer via den samme komponenten.

Trådløs induktiv overføring av energi er kjent teknologi, og brukes blant annet til å operere utstyr og til å videresende måleresultater i situasjoner hvor overføring gjennom kabler eller konvensjonelle konnektorer er upraktisk, umulig og/eller farlig. Tråd-løs overføring av effekt for å operere utstyr blir generelt supplert med trådløs overfø-ring av datakommunikasjon for operering av utstyret og returnering av måleresultater, osv. Overføring av kommunikasjon og effekt blir vanligvis gjort ved hjelp av to separate overføringsanordninger, som kan ta opp mye plass. Kjente tek- niske løsninger er generelt ikke så fleksible med hensyn til de geometriske formene av komponentene som brukes til den trådløse overføringen av effekt og data, og komponentene er videre vanligvis sårbare for ytre påvirkninger på en slik måte at de ikke kan brukes i situasjoner hvor de utsettes for mekaniske støt og/eller høyt trykk.

Patentpublikasjon JP 2007142081 A offentliggjør en komponent for overføring av tråd-løs effekt omfattende en spole, en kjerne og et skjermelement, hvor kjernen og skjermelementet er anordnet som en integrert enhet ved formstøping av et magnetisk pulver og et harpiksbindemiddel.

Patentpublikasjon JP 2006156714 vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en kjerne for en komponent for overføring av elektriske signaler, hvor kjernen er form-støpt ved blanding av et magnetisk pulver og syntetisk harpiks.

I patentpublikasjon US 2008061733 Al beskrives en batterilader, hvor batteriladeren omfatter en spole for trådløs overføring av energi, hvor spolen er plassert i et spor i et materiale laget av en syntetisk harpiks og et ferrittpulver.

På lignende vis beskrives patentpublikasjon US 201248878 Al en batteripakke omfattende en spole for kontaktfri energioverføring, hvor spolen er formstøpt i en struktur laget av en formstøpingssubstans omfattende ferritt i fine partikler og en harpiks.

Patentpublikasjon NO 320439 Bl, korresponderende til US 8125208 B2, er innlevert av den inneværende søker og vedrører effektiv trådløs overføring av energi.

JP 2014/183193 A offentliggjør en antenneanordning som er i stand til å forbedre en antenneytelse under anordning av en flerhet av antenner effektivt på en begrenset plass. Antenneanordningen omfatter en sløyfeantennedel og en antennedel anordnet inne i sløyfeantennedelen. Sløyfeantennedelen og antennedelen har magnetiske har-pikslag og inneholder magnetiske partikler. I det minste en del av minst én av sløyfe-antennedelen og antennedelen er nedgravd i de magnetiske harpikslagene.

US 2008/0224543 A offentliggjør et kontaktfritt signaloverføringsapparat som sender elektrisk effekt og et signal på en kontaktfri måte via magnetisk induksjon. Apparatet innbefatter: i) et par ringformede elektrisk effekt-kjerner anordnet i motstående rela-sjon til hverandre; ii) et par elektrisk effekt-kjerner respektivt anordnet i en ringformet form ved én i paret av elektrisk effekt-kjerner; og iii) et par signalkjerner respektivt anordnet i en ringformet form inne i én i paret av elektrisk effekt-kjerner. Den relative permeabiliteten inne i og rundt signalkjernene er lavere enn den relative permeabiliteten for elektrisk effekt-kjernene.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe tilveie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterføl-gende krav.

Oppfinnelsen er angitt i de uavhengige patentkravene. De avhengige kravene angir fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen.

I et første aspekt vedrører oppfinnelsen en anordning for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon. Anordningen omfatter: et ferrittomfattende substrat med en første side og en andre side motsatt den første siden;

en første spole for trådløs effektoverføring, hvor den første spolen er anordnet ved den første siden av det ferrittomfattende substratet, hvor den første spolen inneslutter et senterområde, og

en første kommunikasjonskanal for trådløs kommunikasjon. Den første kommunikasjonskanalen er anordnet i senterområdet inne i den første spolen. Den første spolen og den første kommunikasjonskanalen er sirkulært formet, og den første kommunikasjonskanalen er konsentrisk plassert med hensyn til den første spolen. Den første spolen og kommunikasjonskanalen har blitt fastgjort til den første siden av substratet ved anvendelse av en formstøpingsprosess. Anordningen omfatter videre et mekanisk trykkbarrierelag på det ferrittomfattende substratet.

Effektene av kombinasjonen av trekkene ifølge oppfinnelsen er som følger. Ved å an-ordne den første kommunikasjonskanalen inne i senterområdet i den første spolen, og ved etterfølgende formstøping av nevnte sammenstilling til et enkelt formstøpingslag, oppnås en svært kompakt og svært robust anordning. Simuleringer viser at gjenstander plassert i senterområdet i den første spolen og mengden av ferritt i dette området ikke har stor påvirkning på koblingsfaktoren mellom to komponenter. Dette området har en lav konsentrasjon av magnetfelt under overføring av effekt, og således vil mindre støy bli absorbert i dette området. Dette gjør dette området ideelt for implementering av kommunikasjonskanaler. Ved å velge en formstøpingsprosess for fremstilling av nevnte anordning, gjøres det mulig å starte med spolen og effektivt bygge nevnte anordning i påfølgende lag. Etter formstøping av den første spolen og den førs-te kommunikasjonskanalen, kan det ferrittomfattende substratet passende anordnes på en bakside av det enkeltstående formstøpingslaget omfattende spolen og kommunikasjonskanalen. Det må understrekes at den første spolen og den første kommuni kasjonskanalen ikke behøver å være orientert i en flat orientering. Spolen kan for eksempel også være formet til å følge en sylindrisk struktur, konusstruktur eller kuppel-struktur. Uansett hvilken form som velges, er det kun viktig å velge en støpeform med en form som passer sammen med formen til spolen og kommunikasjonskanalen. Det må understrekes at kravene kun er rettet mot én av de primære og sekundære komponentene i et kommunikasjons/overføringssystem. Det må forstås at oppfinnelsen kan anvendes på begge sider eller på kun én av nevnte sider i nevnte kommunika-sjons/overføringssystemer. Dette betyr at oppfinnelsen kan brukes på den primære siden, den sekundære siden eller begge deler. Trykkbarrierelaget sørger for at de påkrevde spesifikasjonene diktert av anvendelsen oppfylles, særlig under vann, nedihulls eller andre høytrykks eller lavtrykks anvendelser.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen har den første spolen og kommunikasjonskanalen blitt formstøpt i et enkelt formstøpingslag på den første siden av substratet.

En utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen omfatter videre en andre kommunikasjonskanal for trådløs kommunikasjon, hvor den andre kommunikasjonskanalen er anordnet i senterområdet inne i den første spolen. I tilfelle en ytterligere kommunikasjonskanal skal implementeres, kan slik kommunikasjonskanal passende plasseres inne i det samme senterområdet som den første kommunikasjonskanalen.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen er den andre kommunikasjonskanalen anordnet i et ytterligere senterområde inne i den første kommunikasjonskanalen. I tilfelle den første kommunikasjonskanalen er formet som en spole som for eksempel er orientert konsentrisk med hensyn til den første spolen, kan den andre kommunikasjonskanalen være anordnet inne i et ytterligere senterområde av-grenset av den første kommunikasjonskanalen.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen omfatter anordningen et gjennomgående hull som strekker seg gjennom substratet. I utførelsesformer hvor den første spolen og kommunikasjonskanalen er anordnet som konsentriske spoler, kan et gjennomgående hull være anordnet inne i det ytterligere senterområdet som i denne utførelsesformen, hvilken passende kan brukes for tilveiebringelse av andre komponenter så som mekaniske aksler, kabler eller kommunikasjonskanaler.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen er den første spolen i det minste delvis nedgravd i det ferrittomfattende substratet. Simuleringer har vist at nedgraving av den første spolen og/eller nevnte kommunikasjonskanal delvis inne det ferrittomfattende substratet, økte koblingen mellom den primære spolen/ kommunikasjonskanalen og den sekundære spolen/kommunikasjonskanalen.

I en utførelsesform av anordning i samsvar med oppfinnelsen omfatter det ferrittomfattende substratet en blanding av harpiks og ferrittpulver. Ved anvendelse av en forholdsvis tynn formstøpingssubstans, kan det oppnås en homogen blanding med høye ferrittinnhold. Blandingsforholdet kan være cirka én del formstøpingssubstans til fire deler ferrittpulver. En slik sammensetning vil tilveiebringe gode overførings-egenskaper og den ønskede homogenitet. Formstøping med ferrittpulver er en pro-duksjonsvennlig prosess, som ikke krever kostbare verktøy eller støpeformer med høye presisjoner, samtidig som prosessen gir adgang til formstøping av komplekse former så som plane, sylindriske eller konusformede basiser (eller substrater). Forming av spolen og ferritten gjøres typisk for å oppnå en høyere kobling mellom den primære siden og den sekundære siden.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen omfatter det ferrittomfattende substratet én del formstøpingsmasse per fire deler ferrittpulver.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen er substratet forsynt med to eller flere partier med forskjellige ferrittkonsentrasjoner. Ved justering av blandingsforholdet for ferritt og formstøpingssubstans, og således gradering av ferritt - konsentrasjonen i basisen, kan magnetfeltet fokuseres.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen er ferrittkonsentrasjonen i substratet i et parti nær spolen lavere enn ferrittkonsentrasjonen i et parti lenger bort fra spolen. I denne utførelsesformen kan overføringsavstanden økes samtidig som det svært konsentrerte ferrittmaterialet virker som en skjerm for magnetfeltet. En fagperson vil vite at en lavere konsentrasjon av ferritt vil resultere i at flukslin-jene emitteres ut på en bredere måte, hvilket gir adgang til større overføringsavstander over et luftgap mellom de primære og sekundære komponentene.

Hvis spolen for effektoverføring er i det minste delvis formstøpt i ferrittmaterialet, kan dette gi en økt forbindelse mellom spolen og basisen og resultere i en økt induksjon i

spolen, slik at spolen kan forsynes med et lavere antall viklinger, og således kan fremstilles ved en lavere kostnad. Lavere antall viklinger reduserer også tapene i spolen og reduserer dannelsen av varme. Kabler for overføring av strøm og/eller kommunikasjon kan også være fullstendig eller delvis formstøpt i basisen, hvilket vil tilveiebringe en

robust forbindelse til spolen og kommunikasjonskanalen. I en utførelsesform kan det partiet av spolen og kommunikasjonskanalen som ikke er omgitt av ferrittmaterialet, være formstøpt i en harpiks. Dette vil tilveiebringe en svært god beskyttelse mot støt og kortslutning, og det vil gjøre anordningen mer bestandig mot trykk. Anordningen kan således for eksempel brukes under vann, for eksempel ved en havbunn i forbindelse med leting etter og utvinning av hydrokarboner.

I en utførelsesform av anordningen i samsvar med oppfinnelsen omfatter anordningen videre en kondensator forbundet i serie med den første spolen.

I en utførelsesform av anordning i samsvar med oppfinnelsen er kommunikasjonskanalen forbundet til et frekvensfilter. Frekvensfilteret vil gjøre det mulig å bruke kun ett par kabler for overføringen av kommunikasjon og effekt. Filteret, som kan være av en type som i og for seg er kjent, kan ha en knekkfrekvens i området mellom svit-sjingsfrekvensen for overføring av effekt og den ene eller de flere frekvensene som brukes for overføring av kommunikasjon, slik at kun kommunikasjonssignaler kan overføres til og fra kommunikasjonskanalen. Som et alternativ eller i tillegg, kan et båndstoppfilter være integrert i styringselektronikken for å filtrere ut interferens i de frekvensområdene som kommunikasjonskanalen bruker for overføring.

Både høyfrekvens- og lavfrekvens-kommunikasjonskanaler kan implementeres på et trykt kretskort. Lavfrekvens-kommunikasjonskanalen kan tilveiebringes som viklinger implementert som kontaktlinjer på et trykt kretskort. Induktansen forviklingene kan tilpasses til en ønsket kommunikasjonsfrekvens. Kontaktlinjene vil være i stand til å funksjonere som en induktiv kobling hvor induktansen er tilpasset til den ønskede kommunikasjonsfrekvensen for forskjellige kommunikasjonskomponenter som man ønsker å binde sammen, hvilket vil være kjent for fagpersonen. Induktansen kan tilpasses ved hjelp av separate komponenter eller ved dannelse av kontaktlinjene på s kri ve rkrets ko rtet.

Høyfrekvens-kommunikasjonskanalen kan tilveiebringes som en kontaktlinje eller kon-taktplate implementert på et trykt kretskort. Kontaktlinjene eller kontaktflatene vil

være i stand til å funksjonere som en kapasitiv kobling hvor impedansen er tilpasset til den ønskede kommunikasjonsfrekvensen for forskjellige kommunikasjonskomponenter som man ønsker å binde sammen, hvilket vil være kjent for fagpersonen. Impedansen kan tilpasses ved hjelp av separate komponenter eller ved dannelse av linjene på

s kri ve rkrets ko rtet.

Overføringen av kommunikasjon kan således enten være av en lavfrekvens-type eller av en høyfrekvens-type, eller begge deler.

Alternativt kan kanalen for overføring av kommunikasjon være tilveiebrakt som en ledningsvikling uavhengig av et trykt kretskort.

I et andre aspekt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av anordningen i henhold til krav 13.

I en utførelsesform av fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen blir det ferrittomfattende substratet også dannet med en formstøpingsprosess. En formstøpings-prosess er en svært fleksibel måte for dannelse av det ferrittomfattende substratet. Ferrittpulver blir passende blandet med harpiks før det støpes i støpeformen. Flere detaljer om fremgangsmåten og dens utførelsesformer vil bli gitt i den detaljerte beskrivelsen av figurene.

I en utførelsesform av fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen gjøres trinnet med fastgjøring og trinnet med dannelse av det ferrittomfattende substratet i den samme formstøpingsprosessen. Denne utførelsesformen er svært fordelaktig, fordi en støpeform for formstøpingsprosessen effektivt kan brukes på ny i prosessen, dvs. at fremgangsmåten ifølge denne utførelsesformen har mindre fremgangsmåtetrinn og derfor vil være billigere.

I en alternativ utførelsesform av fremgangsmåten i samsvar med oppfinnelsen blir det ferrittomfattende substratet festet (limt, teipet eller festet med andre lignende meto-der) til den første spolen og den første kommunikasjonskanalen. Fordelen med denne utførelsesformen er at den gjør prosessen billigere.

I et tredje aspekt vedrører oppfinnelsen et system for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon omfattende en anordning i samsvar med oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan brukes på den primære siden, på den sekundære siden eller begge deler. Det sistnevnte danner en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen. Følgelig, uansett hvor i denne beskrivelsen det står "primær side" kan dette byttes ut med "sekundær side", og omvendt. Ganske ofte i toveis kommunikasjon og/eller overføring er det ganske vilkårlig å definere hvilken side som er primær og hvilken side som er sekundær.

I det følgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform illustrert på de ledsagende tegningene, hvor:

Fig. 1 viser, sett ovenfra, en primær komponent av en anordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser, i perspektiv, den primære komponenten på fig. 1; Fig. 3 viser, sett fra siden, en anordning i samsvar med den foreliggende opp finnelse; Fig. 4 viser, sett fra siden, tverrsnitt av to komponenter i samsvar med den fo religgende oppfinnelse; Fig. 5 viser, sett fra siden, forskjellig formede basiser, som brukes i en anord ning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 6 viser, sett fra siden, en utførelsesform av en primær komponent av en anordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 7 viser, sett fra siden, en annen utførelsesform av en primær komponent av en anordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 8 viser, sett fra siden, en ytterligere utførelsesform av en primær kompo nent av en anordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 9 viser, sett fra siden, en utførelsesform av en primær komponent i sam svar med den foreliggende oppfinnelse; Fig. 10 illustrerer, med et grunnriss og et tverrsnittsriss fra siden, et trinn i frem gangsmåten for fremstilling av anordningen ifølge oppfinnelsen; Fig. 11 illustrerer, med et grunnriss og et tverrsnittsriss fra siden, et ytterligere trinn i fremgangsmåten for fremstilling av anordningen ifølge oppfinnelsen; Fig. 12 illustrerer, med et grunnriss og et tverrsnittsriss fra siden, enda et ytterligere trinn i fremgangsmåten for fremstilling av anordningen ifølge oppfinnelsen, og Fig. 13 illustrerer et tverrsnittsriss fra siden av en annen utførelsesform av fremgangsmåten for fremstilling i samsvar med oppfinnelsen.

Det skal påpekes at de ovennevnte utførelsesformer og de som er omtalt nedenfor illustrerer snarere enn begrenser oppfinnelsen, og at de som har fagkunnskap innen teknikken vil være i stand til å designe mange alternative utførelsesformer uten å av-vike fra omfanget av de vedføyde krav. I kravene skal eventuelle henvisningstegn plassert mellom parenteser ikke fortolkes som begrensende for kravet. Bruk av verbet "omfatte" og dets konjugasjoner utelukker ikke tilstedeværelsen av andre elementer eller trinn enn de som er angitt i et krav. Artikkelen "en" eller "et" foran et element utelukker ikke tilstedeværelsen av en flerhet av slike elementer. I anordningskravet som lister opp flere midler, kan flere av disse midlene gis konkret form av en og samme gjenstand av maskinvare. Kun den kjensgjerning at visse foranstaltninger er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, angir ikke at en kombinasjon av disse for-anstaltningene ikke med fordel kan brukes.

Heretter betegner henvisningstall 1 en anordning for overføring av effekt og kommunikasjon i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, som vist på fig. 3 og 4. Figurene er vist skjematisk og forenklet, og de samme henvisningstallene refererer til de samme eller lignende elementer. Elektroniske komponenter forbundet til anordningen 1, både på den primære siden og den sekundære siden, anses for å være kjent innen teknikken, og er av hensyn til enkelhet på tegningene ikke vist. Anordningen 1 for overføring av effekt og kommunikasjon i samsvar med den foreliggende oppfinnelse omfatter en primær komponent 11 og en sekundær komponent 13. På de fleste av figurene vises kun den primære komponenten 11. Figur 1 viser en primær komponent 11 omfattende en basis 12 (dette elementet refe-reres også til som substrat i denne beskrivelsen), hvor en spole 14 for induktiv overfø-ring av trådløs effekt er anordnet. Basisen 12 er i den viste utførelsesformen forsynt med et sirkulært tverrsnitt med et hull 25 i midten. Spolen 14, som er anordnet konsentrisk rundt hullet i basisen 12, kan være delvis formstøpt inn i basisen 12, som beskrevet i den generelle delen av denne søknaden. Den primære komponenten 11 omfatter videre en kanal 15 for overføring av kommunikasjon, heretter referert til som en kommunikasjonskanal 15. Kommunikasjonskanalen 15 er dannet med en mindre diameter enn spolen 14, og er konsentrisk med denne rundt hullet 25 i basisen 12. Basisen 12 er i det minste delvis tilveiebrakt i et ferrittomfattende materiale 121. Figur 2 viser den samme primære komponenten 11 sett i perspektiv, hvor det kan ses at basisen 12 er formet som en kort sylinder. Figur 3 viser en anordning 1 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Den primære komponenten 11 er anordnet i en avstand A fra den sekundære komponenten 13. Avstanden A er definert fra avstanden mellom spolene 14 på den primære komponenten 11 og den sekundære komponenten 13. Figur 4 viser et tverrsnitt fra siden av anordningen 11 og anordningen 13 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. På den venstre siden av figuren vises det en kabel 20a som forbinder spolen 14 på den primære komponenten 11 med en styrings-

elektronikk og en energikilde (ikke vist), som kan være en frekvensstyrbar effektfor-syning, mens spolen 14 på den sekundære komponenten 13 kan være forbundet til en tilbakemeldingselektronikk og last (ikke vist). Det vises til den ovennevnte patentpublikasjon NO 320439 Bl, korresponderende til US 8125208 B2, for en mer detaljert beskrivelse av teknologien. Til høyre på figuren vises en kabel 20b, som for eksempel forbinder kommunikasjonskanalen 15 til en ikke vist kommunikasjonselektronikk. Figuren illustrerer også hullet 25 som omtalt med henvisning til fig. 1.

Figur 5 viser basiser 12 forsynt med alternative geometrier. Formstøping med ferrittpulver og blandet med en harpiks, som for eksempel epoksy eller polyuretan, gir stor fleksibilitet, og gir således adgang til forming av basiser av nesten enhver geometri. På figurene vises basiser med koniske former og sylinderformer.

På fig. 6 vises en utførelsesform av en primær komponent 11 hvor en kondensator 16 er forbundet i serie med spolen 14. En mer detaljert beskrivelse av dette kan finnes i nevnte patentpublikasjon NO 320439 Bl, korresponderende til US 8125208 B2. Kon-densatoren 16 vil bevege resonanssegmentet bort fra den ikke viste styringselektronikken og til spolen 14 i basisen 12. Siden er kondensator 16 forbundet i serie med en induktor 14 vil danne en spenningsresonanskrets, vil den viste utførelses-formen gi adgang til at den potensielt høyspente delen av systemet beveges bort den ikke viste styringselektronikken, og dermed gjør det enklere å oppfylle sikkerhets-kravene, og den reduserer kravene til spenningsisolasjon for kabelen og konnektore-ne. Figur 7 viser en utførelsesform av den primære komponenten 11 med et frekvensfilter 17 integrert med kommunikasjonskanalen 15. Frekvensfilteret 17, som kan være av en type som i og for seg er kjent, har en knekkfrekvens i området mellom svitsjings-frekvensen for overføring av effekt og den ene eller de flere frekvensene som brukes for overføring av kommunikasjon, slik at kun kommunikasjonssignaler overføres til og fra kommunikasjonskanalen 15. Dette gir adgang til bruken av en felles kabel for overføring av kommunikasjon og effekt mellom komponenten og den forbundne elektronikken. Redusering av antallet kabler reduserer kostnaden. Figur 8 viser en utførelsesform av den primære komponenten 11, som er en kombinasjon av utførelsesformene vist på fig. 6 og 7, idet den primære komponenten 11 er forsynt med både en kondensator 16 og et frekvensfilter 17. Fordelene er de samme som beskrevet ovenfor.

Pa fig. 9 vises en primær komponent 11 med en basis 12 forsynt med to forskjellige partier 122a, 122b, med henholdsvis høyt og lavt ferrittinnhold. "Høyt" og "lavt" kan defineres fra et standard blandingsforhold på fire deler ferrittpulver til én del form-støpingssubstans. Fordelene med gradert ferrittinnhold i basisen 12 er beskrevet ovenfor og innbefatter blant annet god skjerming og forholdsvis stor overføringsav-stand.

Heretter beskrives tre mulige fremgangsmåter for fremstilling (produksjonsprosesser) av anordningen ifølge oppfinnelsen. Den valgte prosessen avhenger av tillatt kostnad, men også av kravene for anvendelsen. Oppfinnerne har identifisert tre forskjellige kravsett relatert til forskjellige anvendelser: undervanns eller nedihulls anvendelser hvor anordningen må stå imot høye trykk;

anvendelser i strengt miljø hvor anordningen må være svært robust, og kostnadsoptimaliserte anvendelser, hvor ytelse og produksjonskostnader må balanseres.

Disse tre anvendelsene og deres implikasjoner på fremgangsmåten for fremstilling vil heretter bli omtalt. Det må understrekes at den følgende beskrivelsen og de korresponderende figurene kun fokuserer på én side av systemet (primær eller sekundær side).

Undervanns eller nedihulls anvendelser

Figurene 10 til 12 illustrerer en utførelsesform av fremgangsmåten for fremstilling av en anordning for undervanns, nedihulls eller andre høytrykks eller lavtrykks anvendelser.

I et første trinn, som illustrert på fig. 10, vikles spolen 14, i dette eksempelet en sirkulær spole. Spolen 14 har en ytre diameter 14od og en indre diameter 14id. Spolen avgrenser et senterområde 14c, som vist på venstre side på figur 10. De respektive elektriske klemmene 20a er også vist på figuren. I denne utførelsesformen begge er på samme side av spolen, men dette er ikke essensielt for oppfinnelsen. Avhengig av omfanget av viklinger som er nødvendig, øker tykkelsen 14t av spolen 14. De følgen-de betraktninger kan gjelde når spolen 14 lages: a. For laveffekt-anvendelser og/eller laveffektivitet-anvendelser brukes en ledning med én enkelt lederkordel, hvor dens diameter beregnes basert på mengden av effekt som skal overføres. For høyeffekt-anvendelser og/eller høyeffektivitet-anvendelser brukes Litz-ledninger, hvor dens diameter og antall lederkordeler beregnes basert på overføringsfrekvensen og den maksimale mengden av effekt som skal overføres. En selvbindende ledning kan brukes til å vikle opp en luftspole.

b. Diameter, tykkelse og antall vindinger for spolen beregnes basert på overfø-ringsavstand og mengden maksimum effekt som skal overføres. c. Ledningsenden på den ferdige spolen isoleres med varmekrymping eller lignende for å oppnå god isolasjon ved formstøping inn i det ferrittomfattende substratet (basisen). Dette hindrer også mekanisk spenning på ledningen ved utgangspunktet fra den formstøpte ferritten.

I et ytterligere trinn, som illustrert på fig. 11, blir spolen 14 og kommunikasjonskanalen 15 som er plassert i senterområdet 14c i spolen 14, formstøpt til et enkelt formstøpingslag 30. I dette eksempelet omfatter kommunikasjonskanalen 15 en lavfrekvens-kommunikasjonskanal 15-1, som er anordnet på en PCB 60. Slik PCB 60 kan omfatte ytterligere kretssystem og komponenter, eller kan til og med omfatte en ytterligere kommunikasjonskanal som vist med høyfrekvens-kommunikasjonskanalen 15-2. PCB-en 60 er forbundet via en forbindelseskabel 20b. Ved implementering av et filter på kommunikasjonskanalen, kan det brukes en felles kabel til å overføre data både til høyfrekvens- og lavfrekvens-kommunikasjonskanalene. De følgende betraktninger kan gjelde ved formstøping av spolen 14 og kommunikasjonskanalen 15: a. Spolen 14 og kommunikasjonskanalen 15 som helst velges (PCB-basert, spolebasert og/eller optisk) plasseres i en støpeform 50. Det kan være fordelaktig å ha po-sisjoneringsmerker eller -konturer i støpeformen 50 for å sørge for nøyaktig innret-ting. Støpeformen 50 behøver ikke å fjernes fra spolen 14, men kan virke som et beskyttende materiale i sluttproduktet. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til denne utførelsesformen. b. Under formstøpingsprosessen helles en harpiks med lav viskositet og, hvis relevant, en herder inn i støpeformen 50 inntil spolen er dekket eller ønsket isolasjons-tykkelse er oppnådd. Det korrekte nivået kan styres av merker eller konturer i støpe-formen 50 eller ved bruk av et automatisk dose ringssystem. c. Vakuum kan brukes til å fjerne luft fra harpiksen og mellom lederkordelene i spolen 14. Dette sørger for en massiv anordning. Mulige luftlommer kan forårsake at lederkordeler og viklinger beveger seg med trykkforandringer. Bevegelser av lederkordeler kan ødelegge isolasjonslaget på hver lederkordel og forårsake kortslutning. Fjerning av luft sørger også for krypestrømavstander og unngår sprekking av anordningen på grunn av trykktøyning.

d. Etter ihelling av harpiksen, herdes harpiksen.

I et ytterligere trinn, som illustrert på fig. 12, påføres et ferrittomfattende substrat 12 ved bruk av en formstøpingsprosess så vel som et mekanisk trykkbarrierelag 70. Figur 12 illustrerer videre hva som menes med "første side 12sl" og "andre side 12s2" i kravene. De følgende betraktninger kan gjelde ved påføring av det ferrittomfattende substratet 12: a. Ferrittpulver blandes med en lavviskositetsharpiks, og herder hvis det relevant. Forholdet kan være 80 % ferrittpulver og 20 % harpiks, dvs. 4 deler ferritt til 1 del harpiks. Det påkrevde forholdet avhenger også av den ønskede feltfordelingen fra spolen. b. Et fleksibilitetsmiddel (plastiseringsmiddel) kan blandes inn med harpiksen for å gjøre den herdede ferritten litt mykere og for at den skal være mer robust mot støt. c. Ferrittblandingen helles inn i støpeformen 50 oppå den formstøpte spolen 14, 30. Det korrekte nivået kan styres av merker eller konturer i støpeformen eller ved bruk av et automatisk doseringssystem. Tykkelsen av ferrittlaget beregnes basert på maksimum mengde av effekt som skal overføres. d. Vakuum kan brukes til å fjerne all luften fra ferrittblandingen. Dette sørger for en massiv anordning som ikke inneholder luft.

e. Etter ihelling av ferrittblandingen, herdes ferrittblandingen.

f. Det mekaniske trykkbarrierelaget 70 plasseres oppå støpeformen 50 med spolen 14 og ferritten. Aluminium eller andre metaller brukes vanligvis som en trykkbarri-ere, og formen og størrelsen tilpasses til å passe oppå spolen og støpeformen. Dimen-sjonene av trykkbarrieren må beregnes for å oppfylle trykkravet for anvendelsen, slik at elektronikken kan plasseres i et atmosfærisk miljø. Nevnte respektive kabler 20a og 20b fra spolen 14 og kommunikasjonskanalene 15 trekkes gjennom hull i barrierelaget 70. En harpiks helles inn i små hull i det mekaniske trykkbarrierelaget 70 for å fylle gapet mellom det ferrittomfattende substratet 12 og barrierelaget 70, og for å danne en massiv del.

Simuleringer viser at gjenstander plassert i senterområdet 14c i den første spolen 14 og mengden av ferritt i dette området 14c ikke har sterk påvirkning på koblingsfaktoren mellom to komponenter. Dette området 14c har en lav konsentrasjon av magnetfelt under overføring av effekt, og således vil mindre støy absorberes i dette området 14c. Dette gjør dette området 14c ideelt for implementering av kommunikasjonskanaler 15. Det er ingen krav til rotasjonsorientering med sammenføring av to sirkulært formede spoler for trådløs overføring av effekt. Ved implementering av en kommunikasjonskanal 15 i senterområdet, som ikke har krav til rotasjonsorientering, vil således komponenten for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon ha forde len av ikke å ha noen krav til rotasjonsorientering. De beskrevne kommunikasjonskanalene kan implementeres uten krav til rotasjonsorientering.

Den inneværende beskrivelsen offentliggjør ikke i detalj hvordan spolen 14 og kommunikasjonskanalen 15 skal forbindes inne i systemet for trådløs effektoverføring og kommunikasjon, og hvilken teknologi kan brukes for dette. Slik kunnskap og teknologi anses å være velkjent for personen med fagkunnskap innen teknikken. For å posisjo-nere komponentene inne i overføringsområdet, kan det brukes forskjellige førings- og sammenføringssystemer, så som mekanisk førings- og låsesystem som holder komponenten på plass når de er innrettet, eller magneter som vil trekke komponentene sammen.

I en alternativ utførelsesform av fremgangsmåten, plasseres barrierelaget 70 i støpe-formen før ferrittblandingen helles i, dvs. før det ferrittomfattende substratet 12 lages. Da vil ferrittblandingen fylle gapet mellom den formstøpte spolen 14, 30 og det mekaniske trykkbarrierelaget 70. Likeledes kan vakuum brukes til å fjerne all luften fra harpiksen eller ferrittblandingen. Dette sørget for en massiv anordning som ikke innholder luft, hvilket er vist på fig. 12. Etter ihelling av ferrittblandingen, herdes ferrittblandingen.

Anvendelser i strengt miljø

Hovedforskjellen mellom denne utførelsesformen og utførelsesformen fra fig. 10 til 12 er at her blir spolen 14 ikke formstøpt før det ferrittomfattende substratet 12 påføres.

Figur 13 illustrerer et lignende trinn i prosessen som fig. 12. Det kan observeres at støpeformen 50 har blitt tilpasset ved at den nå er formet med en tykkere bunn med en utsparing for mottak av spolen 14 så vel som PCB-en 60. Fremgangsmåten omfatter nå to hovedtrinn istedenfor tre, nemlig fremstillingen (eller viklingen) av spolen (innbefattende tilveiebringelsen av PCB-en) og det etterfølgende formstøpingstrinnet.

1. Vikling av spole:

Lignende betraktninger gjelder som for undervanns- eller nedihullsanvendelsene. En hovedforskjell er at i denne utførelsesformen kan spolen behandles med et elektrisk isolerende belegg eller annet isolerende materiale for å oppnå elektrisk isolasjon fra ferrittbasisen på et senere trinn i prosessen.

2. Tilveiebringelse av det ferrittomfattende substratet 12 (formstøping):

De samme betraktninger gjelder som for undervanns- eller nedihullsanvendelsene. Hovedforskjellene erat komponentene på PCB-en og bart metall bør være elektrisk isolerte fra ferritten. Støpeformen 50 form må ha en form som sørger for at korrekt forming av ferritten og at spolen ikke blir fullstendig neddykket i ferritten etter form-støping.

Kostnadsoptimaliserte anvendelser

Lignende betraktninger gjelder som for undervannsanvendelsene eller anvendelsene i strengt miljø. En hovedforskjell er at det er et separat trinn med festing av spolen 14 og kommunikasjonskanalen til ferritten med liming, teiping eller ved bruk av lignende festemetoder. Et isolasjonsark kan plasseres mellom ferritten og spolen for å forbedre isolasjonen.

Det er forskjellige alternativer som kan brukes som kommunikasjonskanaler: PCB-basert kommunikasjonskanal, spolebasert kommunikasjonskanal og optisk kommunikasjonskanal. Noen betraktninger for fremstillingsprosessen beskrives heretter.

PCB- basert kommunikasjonskanal

Kommunikasjonskanalen oppnås ved design av en PCB. De følgende betraktninger gjelder: For lavfrekvens kommunikasjonskanaler dannes kontaktlinjer på PCB-en for å danne en spole med en induktans som er tilpasset til den ønskede kommunikasjonsfrekvensen. Typiske frekvenser er fra 2 MHz til 40 MHz. Ett eller flere lag på PCB-en kan brukes til å danne spolen.

For høyfrekvens kommunikasjonskanaler implementeres en sirkulær kontaktlinje, en sentrert kontaktflate eller lignende former som har de samme overførings-egenskapene, for å danne en kapasitiv antenne med kort rekkevidde. Typiske frekvenser er fra 100 MHz til 150 GHz. Ett eller flere lag på PCB-en kan brukes til å danne kommunikasjonskanalen.

Spolen, kontaktlinjen og filteret må designes slik at det ikke absorberer energi fra den nærliggende spolen, som overfører effekt.

Lavfrekvens- og høyfrekvens-kommunikasjonskanalene kan forbindes med en filterløsning bestående av diskrete komponenter. Dette gjør det mulig å forbinde en felles koaksialkabel eller en annen type av ledningspar for både lavfrekvens- og høy-frekvens-signalene.

PCB-en fremstilles og komponenter settes sammen. Standard PCB-er og lami-nater kan brukes.

En koaksialkabel forbindes til PCB-en.

PCB-en kan valgfritt designes med kun én av kommunikasjonskanalene. PCB-en kan valgfritt designes med et hull i senteret for å gi adgang til kombinasjon med optisk overføringskanal eller andre gjenstander i senteret.

Spolebasert kommunikasjonskanal

Kommunikasjonskanalen oppnås med vikling av en spole som ligner den som allerede er forklart med henvisning til fig. 10 til 13. Antallet vindinger som skal lages er tilpasset til den ønskede kommunikasjonsfrekvensen. Typiske frekvenser er fra 2 MHz til 40 MHz.

Optisk basert kommunikasjonskanal

1. Enhver type av kommersielt tilgjengelig optisk transceiver (laserdiode, LED-dioder, lyssensitiv diode) med linser som sørger for ønsket overføringsavstand kan settes i senteret i spolen for å oppnå optisk kommunikasjon. 2. Optisk kommunikasjonskanal kan kombineres med både PCB- og spolebasert kommunikasjonskanal.

Claims (17)

1. Anordning (1) for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon, hvor anordningen (1) omfatter: et ferrittomfattende substrat (12) med en første side (12sl) og en andre side (12s2) motsatt den første siden; en første spole (14) for trådløs effektoverføring, hvor den første spolen (14) er anordnet ved den første siden (12sl) av det ferrittomfattende substratet (12), hvor den første spolen (14) inneslutter et senterområde (14c), og en første kommunikasjonskanal (15, 15-1) for trådløs kommunikasjon, hvor den første kommunikasjonskanalen (15, 15-1) er anordnet i senterområdet (14c) inne i den første spolen (14), hvor den første spolen (14) og den første kommunikasjonskanalen (15, 15-1) er sirkulært formet, og hvor den første kommunikasjonskanalen (15, 15-1) er konsentrisk plassert med hensyn til den første spolen (14),karakterisert vedat den første spolen (14) og kommunikasjonskanalen (15, 15-1) har blitt fastgjort til den første siden (12sl) av substratet (12) ved anvendelse av en formstøpingsprosess, hvor anordningen (1) videre omfatter et mekanisk trykkbarrierelag (70) på det ferrittomfattende substratet (12).

2. Anordning (1) i henhold til krav 1, hvor den første spolen (14) og kommunikasjonskanalen (15, 15-1) har blitt formstøpt i et enkelt formstøpingslag (30) på den første siden (12sl) av substratet (12).

3. Anordning (1) i henhold til krav 1 eller 2, videre omfattende en andre kommunikasjonskanal (15-2) for trådløs kommunikasjon, hvor den andre kommunikasjonskanalen (15-2) er anordnet i senterområdet (14c) inne i den førs-te spolen (14).

4. Anordning (1) i henhold til krav 3, hvor den andre kommunikasjonskanalen er anordnet i et ytterligere senterområde inne i den første kommunikasjonskanalen (15-1).

5. Anordning (1) i henhold til ethvert av kravene 1 til 4, hvor anordningen (1) omfatter et gjennomgående hull (25) som strekker seg gjennom substratet (12).

6. Anordning (1) i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor den første spolen (14) er i det minste delvis nedgravd i det ferrittomfattende substratet (12).

7. Anordning (1) i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor det ferrittomfattende substratet (12) omfatter en blanding av harpiks og ferrittpulver.

8. Anordning (1) i henhold til krav 7, hvor det ferrittomfattende substratet (12) omfatter én del formstøpingsmasse per fire deler ferrittpulver.

9. Anordning (1) i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor substratet (12) er forsynt med to eller flere partier (122a, 122b) med forskjellige ferrittkonsentrasjoner.

10. Anordning (1) i henhold til krav 9, hvor ferrittkonsentrasjonen i substratet (12) i et parti (122b) nær spolen (14) er lavere enn ferrittkonsentrasjonen i et parti (122a) lenger bort fra spolen (14).

11. Anordning (1) i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor anordningen videre omfatter en kondensator (16) forbundet i serie med den første spolen (14).

12. Anordning (1) i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor kommunikasjonskanalen (15) er forbundet til et frekvensfilter (17).

13. Fremgangsmåte for fremstilling av anordningen i henhold til ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: anordning av den første spolen (14) og den første kommunikasjonskanalen (15) i en støpeform (50); fastgjøring av den første spolen (14) og kommunikasjonskanalen (15) til det ferrittomfattende substratet (12) ved anvendelse av en formstøpings-prosess, og anordning av et mekanisk trykkbarrierelag (70) på det ferrittomfattende substratet (12).

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 13, hvor det ferrittomfattende substratet (12) også dannes med en formstøpingsprosess.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, hvor trinnet med fastgjøring og trinnet med dannelse av det ferrittomfattende substratet (12) gjøres i den samme formstøpingsprosessen.

16. System for trådløs overføring av effekt og kommunikasjon omfattende en anordning (1) i henhold til ethvert av kravene 1 til 12.

17. System i henhold til krav 16, hvor både den primære så vel som den sekundære siden omfatter anordningen (1) i henhold til ethvert av kravene 1 til 12.