WO2017013249A1 - Apparat und verfahren zur daten- und energieübertragung in einer baugruppe mit rotierenden teilen - Google Patents

Apparat und verfahren zur daten- und energieübertragung in einer baugruppe mit rotierenden teilen Download PDF

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WO2017013249A1
WO2017013249A1 PCT/EP2016/067544 EP2016067544W WO2017013249A1 WO 2017013249 A1 WO2017013249 A1 WO 2017013249A1 EP 2016067544 W EP2016067544 W EP 2016067544W WO 2017013249 A1 WO2017013249 A1 WO 2017013249A1
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antenna
component
transponder
antennas
field
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PCT/EP2016/067544
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Inventor
Thomas Meyer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/01—Monitoring wear or stress of gearing elements, e.g. for triggering maintenance
    • H04B5/79—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F03D7/042—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller
    • F03D7/047—Automatic control; Regulation by means of an electrical or electronic controller characterised by the controller architecture, e.g. multiple processors or data communications

Definitions

  • the invention relates to an assembly having a first part and a second construction ⁇ , Rotie ⁇ leaders with respect to the first component part.
  • the invention also relates to a method for data and / or energy transmission in an assembly.
  • Condition monitoring of a bearing in a rotating component can be done by means of different sensor technologies.
  • the condition monitoring may include a measurement of one or more state parameters such as temperature, pressure, acceleration, etc., for example a measurement of a temperature of rolling and / or plain bearings on a shaft of a planetary gear fixed in a rotatably mounted planet carrier.
  • a on the rotating component ie a rotating system, arranged sensor for measuring state parameters such as temperature, pressure, acceleration, etc., and a data transmission device for transmitting measurement data from the sensor to a Receiving device on a stationary, ie non-rotating component for the purpose of further processing of the measuring signals each require a power supply, ie usually a power supply.
  • Data transmission by conventional telemetry is very expensive.
  • Transmitter and receiver antennas also require a power supply on the rotating system.
  • the permanent power supply of the sensor and the transmitting antenna on the rotating system can be realized only with great effort and is very limited, eg when using accumulators.
  • ring antennas In order to detect continuous measuring signals, so-called ring antennas are used, which are arranged on the stationary component, in part on a large scale (in the range of one to several meters), see Fig. 3.
  • the assembly work on the stationary component is considerable. Many spacers must be placed around the periphery of the stationary component to fix the antenna wire to the stationary component.
  • the antenna thus mounted is very sensitive to me ⁇ chanical effects and has a high risk that it will be destroyed during assembly of the components.
  • the ring antennas for telemetric data transmission are applied to a stationary component.
  • the transmitting and receiving antennas are integrated into a carrier material to nimize the assembly effort to mi ⁇ ;
  • this is feasible only for relatively small diameter.
  • no suitable small diameter can be realized on the planet carrier; Therefore, the integration of transmit and receive antennas in the carrier material at planetary carriers is not feasible.
  • the problem underlying the invention of the present Stel ⁇ system is the timely transmission of measurement signals from a rotating system to a stationary system.
  • the present invention solves this problem by a construction ⁇ group comprising a first member and a second, rotating in Be ⁇ train to the first component part, wherein on the first component at least two mutually arranged at a distance antennas are fixed and the second at the Component, a transponder is fixed, which moves during a rotation of the second component by an antenna field generated by the at least two antennas.
  • the assembly may be a gear, wherein the first component is a gear housing or a verbun with the transmission housing ⁇ Denes component and the second component is a relative to the ers ⁇ th component rotating component such as, in the case of a planet ⁇ gear, a planetary carrier, or, in Case of a spur gear, a shaft or a gear can be.
  • transponder is meant a bidirectional transmission device which is wireless, e.g. inductively, can absorb transmitted energy and receive signals, e.g. transmitted by sensors.
  • the transponder can consist of a single device or multiple devices, e.g. a receiving and a transmitting device.
  • the present invention provides an improvement in timely transmission of measurement signals from a rotating system to a dormant system.
  • the non-rotating component of the WKA may be a transmission housing.
  • the rotating component of the wind turbine may be rotatably mounted in the Getrie ⁇ begepuruse planet carrier rotates relative to the gear housing.
  • the present invention relates to a deviating Si ⁇ situation b): ponders At higher peripheral speeds of a transport which moves through the antenna field with a Geschwin ⁇ speed v2> vi, for a higher number of sensors per transponder or for sensors higher performance with The antenna power of a single antenna and the short dwell time of the transponder in the antenna field are not sufficient for a relatively low ohmic resistance
  • the invention offers different approaches, based on two or more antennas on the non-rotating component of the assembly:
  • a first antenna induces an electrical ⁇ specific power in the transponder system when passing through the generated from the first antenna first part Fl of an antenna array.
  • the second part F 2 of an antenna field generated by the second antenna only the measurement signals obtained by the sensors, ie the state data, from the
  • Transponder system read out.
  • each rotation since each rotation, only one measuring signal is required, be ⁇ is the possibility to waive the receiving end in the usual loop antenna and place locally at the periphery angeordne- th receiving antenna.
  • the receiver antenna in the circumferential direction are spatially extended, see FIG 4 in order to ensure the minimum ⁇ tenübertragung residence time of the transponder in the antenna field for Da. If the circumferential speeds are greater, an enlarged antenna field can be realized on the receiving side by means of two electronically coupled local point antennas.
  • the residence time of a transponder, which moves through the antenna field in the antenna field is thus ver ⁇ enlarged and the transponder can be read out.
  • the invention provides a novel use of standard technologies in wind gearboxes. Ring antennas with large diameters are dispensed with by using at least two local receiving antennas to generate an enlarged antenna field in the circumferential direction and to increase the dwell time of the transponders for data read-out at relatively high peripheral speeds.
  • the assembly is a WKA gearbox, the first component a Geretege ⁇ housing and the second component is a planet carrier.
  • the advantage here is that the hard-to-reach components of a tarp ⁇ tengetriebes such as planetary axis and planetary gear monitors who ⁇ can.
  • At least one of the antennas is a segment antenna, which is a
  • Segment of the first component from 10 ° to 45 ° covers. , Is that thus the antenna field along the order ⁇ runway of the transponder is extended from pre ⁇ part.
  • a segmental antenna array is formed on the first component by means of two or more coupled local point antennas. The advantage here is that an extended antenna ⁇ field can be constructed from standard antenna components.
  • the opening angle of the point antennas is in each case 10 to 45 °.
  • the advantage here is that the transmission and reception range of the antenna field can be tailored to the particular application.
  • the segment-shaped antenna field is formed from two to four antenna modules.
  • the advantage here is that an extended antenna field can be constructed from antenna standard components.
  • the object is also achieved by a method for data and / or energy transfer in an assembly according to a of the preceding claims, wherein the transponder moves through the antenna array upon rotation of the second component, the energy required to activate the transponder being transmitted through the antenna array to the transponder, and data from the transponder being transmitted through the antenna array to at least one of the antennas become.
  • the number of antennas is chosen so large and / or the antenna field is so elongated that in a rotation of the second Bau ⁇ part complete data transmission from the transponder to the antenna field can be done.
  • sensor measured values are transmitted from the transponder to the antenna field on the first component.
  • the invention induces a first antenna, an electric power in the transponder when the transponder passes through the generated from the first antenna first part of the antenna array and a second antenna receives the recovered from the sensors measuring ⁇ signals from the transponder when the transponder passes through the second part of the antenna field generated by the second antenna. It is advantageous that the Energybergertra ⁇ supply can be done from the transponder to the antenna field in succession from the antenna field to the transponder and the micro undergraduatetra ⁇ supply. According to a preferred embodiment of the invention, the spacing of the at least two antennas is selected such that a common, enlarged antenna field results from the fields of the individual antennas.
  • the advantage here is that the energy transfer from the antenna field to the transponder and the data transmission from the transponder to the antenna field can be done in parallel or consecutively without a gap caused by a gap in the antenna field interruption.
  • 1 shows a section through a planetary gear with sensors arranged therein and an RFID transponder and an RFID reader;
  • FIG. 2 shows the section of FIG. 1 with an alternative positioning of the RFID transponder and the RFID
  • Fig. 3 shows a conventional loop antenna on a component with a diameter of about 2m
  • Fig. 4 is a view of a segment antenna
  • FIG. 6 shows a transmission device with two antennas in a first embodiment
  • Fig. 7 shows a transmission device with two antennas in another embodiment.
  • FIG. 1 shows a section through a non-rotatably fixed in a planet carrier 13 Planetenradachse 104 with sensors 301 disposed therein, which are connected via transmission lines 303 with an arranged on the planet carrier 13 RFID transponder 302.
  • the Planetenradachse 104 comprises Olver Ecuadorskanalabroughe 110, 112, 114 for pressure lubrication of the radial slide bearing 108 and the axial slide bearing 105, via which a planet gear 12 is rotatably mounted on the Planetenradachse 104.
  • the planetary gear 104 has an axial bore 113, which serves as an oil reservoir in a splash lubrication.
  • the Planetary gear stage has a flow bore 119 in the planet carrier cheek 106 and a fill hole 118 in the planetary gear 104, so that in an oil sump voretziges oil through the flow hole 119 of the planet carrier cheek 106 and the filling hole 118 of the Planetenradachse 104 in serving as an oil reservoir axial Bore 113 can flow.
  • Transversely to the axis of the axial bore 113 extending two transverse bores in the Planetenradachse 104 are arranged, which provide a connection from the axial bore 113 to the radial slide bearing 108; in each case a sensor 301 is inserted into these transverse bores.
  • These sensors e.g. in the form of thermocouples, measure temperatures of the adjacent radial plain bearing 108.
  • the temperature measured values acquired by the sensors 301 are supplied via data lines 303, which are respectively from the sensors 301 through the axial bore 113, the filling hole 118 and the flow bore 119 an RFID transponder 302 arranged on a planetary carrier 13, are transmitted from the sensors 301 to the RFID transponder 302.
  • the planet carrier 13 is supported by bearings 15, i. Wälzoder bearings, rotatably mounted relative to the gear housing 4.
  • Two antennas in the form of an RFID reader 304 are arranged on the fixed gear housing 4 in such a way that the RFID transponder 302 arranged on the planet carrier 13 is guided in the immediate vicinity of the two antennas in the form of the RFID reader 304 when the planet carrier 13 rotates ,
  • the reader comprises two antennas, which are arranged in the direction of the orbit of the transponder 302 side by side.
  • the transponder 302 according to the Rota ⁇ tion of the transponder 302 supporting the planet carrier 13 is moved on a circular orbit periodically to the stationary reading device 304 over.
  • a certain dwell ⁇ duration of the transponder 302 in the field of the reading device 304 is erfor ⁇ sary, for example in the range of 50 to 100 ms, a complete continuous scanning cycle of the temperature of the sensors to go through.
  • antenna dimensions of transponder 302 and reading device 304 in the range of 5 to 50 cm are necessary and realizable.
  • the planet carrier has a maximum Rotationsgeschwindig ⁇ ness in the range of 4.5 m / s, corresponding to a speed of 42 revolutions per minute. It is possible that spray oil reaches the reader 304 and the transponder 302 and the sensors 301 eintau ⁇ chen in the oil sump of the transmission.
  • the sensors 301 and the RFID devices 302, 304 are Ge ⁇ gear oil-resistant, ie designed so that they are not damaged by the surrounding ⁇ medium transmission oil. In this case, a signal from the transponder 302 is read out once per revolution by the reader 304.
  • FIG. 2 shows the same section as FIG. 1 through a planetary gear axle 104 fixed non-rotatably in a planet carrier 13.
  • the only difference from the embodiment shown in FIG. 1 lies in the changed position of the RFID transponder 302 and the RFID tag.
  • Reader 304 While in Fig. 1 transponder 302 and reader 304 are axially positioned with respect to each other at the moment of least relative distance, in Fig. 2, transponder 302 and reader 304 are radially positioned with respect to each other at the moment of smallest relative separation.
  • Fig. 3 shows a component 1 of a WKA, e.g. one
  • a conventional loop antenna 3 Arranged around an axial opening 10 of the component 1 around is a conventional loop antenna 3, which is fastened by means of spacers 2 ⁇ on the component. 1 Due to the superficial positioning of the ring antenna 3 results There is a risk that the ring antenna 3 is damaged during assembly of the component 1.
  • FIG. 4 shows a segment antenna 5.
  • an antenna substrate 6 made of a non-conductive material such as plastic
  • three antenna segments 7 are arranged in overlapping fashion, which serve as receiving antennas.
  • a connection cable 8 is connected to each of the antenna segments 7, in particular via a parallel connection; Via the connection cable 8 signals received in the antenna segments 7 can be forwarded, for example to a data evaluation unit.
  • the Segmentan ⁇ tenne 5 can be fixed by means of through holes 9 for mounting screws on a component.
  • Fig. 5 shows a representation of individual antennas.
  • Four point antennas 16 together form an antenna field 17, formed from the overlapping receiving regions of the point antennas 16.
  • energy can be transmitted in the opposite direction from the antenna field 17 to the transponder 302.
  • Fig. 6 shows two on a first component 4 fixed antennas 21, 22 which are each in an antenna distance s angeord ⁇ net.
  • a transponder 302 arranged on a second component rotating with respect to the first component 4 and connected via data lines with sensors 301 arranged on the second component moves on an orbit 24 through the two parts F1 and F2 of the antenna field.
  • the first antenna 21 induces an electric Leis ⁇ processing in the transponder system 302, during the passage of the generated from the first antenna first part Fl of the antenna array by the transponder 302.
  • the obtained of the ⁇ Sen sensors 301 measuring signals that the state data read from the transponder system 302nd
  • the first antenna 21 induces an electrical power in the transponder 302 when the transponder 302 passes through the first part F1 of the antenna field generated by the first antenna 21, and wherein a second antenna 22 receives the measurement signals obtained from the sensors 301 from the transponder 302, when the transponder 302 passes through the generated by the second antenna 22 second part F2 of the antenna field.
  • FIG. 7 shows an antenna constellation which is similar to the antenna constellation shown in FIG.
  • the two antennas 21, 22 fixed to the first component 4 are arranged at an antenna spacing s which is considerably smaller than that in FIG. 6 shown Antennenab ⁇ stand s.
  • the spacing of the two antennas 21, 22 is selected such that a common, enlarged antenna field F3 results from the fields of the individual antennas 21, 22.
  • the generated by the first antenna 21 first part of the at ⁇ antenna field and generated by the second antenna second part 22 of the antenna array without going distance into one another and form a common antenna field F3.
  • the antenna field F3 induces electrical power in the transponder 302 when the transponder 302 passes through the antenna field F3, and the antenna field F3 receives the measurement signals obtained from the sensors 301 from the transponder 302 when the transponder 302 passes through the antenna field F3.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe, aufweisend ein erstes Bauteil (4) und ein zweites, in Bezug auf das erste Bauteil (4) rotierendes Bauteil, wobei an dem ersten Bauteil (4) mindestens zwei zueinander in einem Abstand (s) angeordnete Antennen (21, 22) fixiert sind und an dem zweiten Bauteil ein Transponder (302) fixiert ist, welcher sich bei einer Rotation des zweiten Bauteils durch ein von den mindestens zwei Antennen (21, 22) generiertes Antennenfeld (F1, F2) bewegt.

Description

Beschreibung
APPARAT UND VERFAHREN ZUR DATEN- UND ENERGIEÜBERTRAGUNG IN EINER BAUGRUPPE MIT
ROTIERENDEN TEILEN Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einem ersten Bau¬ teil und einem zweiten, in Bezug auf das erste Bauteil rotie¬ renden Bauteil. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertragung in einer Baugruppe. Eine Zustandsüberwachung eines Lagers in einem rotierenden Bauteil kann mittels unterschiedlicher Sensor-Technologien erfolgen. Die Zustandsüberwachung kann eine Messung von ein oder mehreren Zustandsparametern wie Temperatur, Druck, Beschleunigung, etc. umfassen, z.B. eine Messung einer Tempera- tur von Wälz- und/oder Gleitlagern auf einer in einem drehbar gelagerten Planetenträger fixierten Achse eines Planetengetriebes .
Bei einer Datenerfassung in einem rotierenden Bauteil treten folgende Probleme auf: Ein auf dem rotierenden Bauteil, d.h. einem rotierenden System, angeordneter Sensor zur Messung von Zustandsparametern wie Temperatur, Druck, Beschleunigung, etc. und eine Datenübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Messdaten von dem Sensor zu einem Empfangsgerät auf einem stehenden, d.h. nicht-rotierenden Bauteil zwecks einer weiteren Verarbeitung der Messsignale benötigen jeweils eine Energieversorgung, d.h. in der Regel eine Spannungsversorgung. Eine Datenübertragung mittels herkömmlicher Telemetrie ist sehr teuer. Sende- und Empfängerantennen bedingen ebenfalls eine Spannungsversorgung auf dem rotierenden System. Die dauerhafte Spannungsversorgung der Sensorik und der Sendeantenne auf dem rotierenden System ist nur mit größerem Aufwand realisierbar bzw. ist sehr eingeschränkt, z.B. bei Verwendung von Akkumulatoren. In einer Windkraftanlage sind eigens vor- gesehene Vorrichtungen für eine separate Spannungsversorgung von Stromverbrauchern auf einem rotierenden System in der Regel nicht zu realisieren bzw. aufgrund des hohen Wartungsbe¬ darfs unerwünscht. Als Datenübertragungssysteme bieten sich passive Systeme an, z.B. ein RFID- oder SAW-System (RFID = Radio Frequency Identification; SAW = Surface Acoustic Wave) , gelöst werden, siehe z.B. die ältere Patentanmeldung
EP3020965A1 (Siemens AG) 18.05.2016.
Um stetige Messsignale erfassen zu können, werden sogenannte Ringantennen verwendet, die am stillstehenden Bauteil, zum Teil auf einem großen Umfang (im Bereich von einem bis mehreren Metern) angeordnet sind, siehe Fig. 3. Der Montageaufwand am stillstehenden Bauteil ist dabei erheblich. Es müssen viele Abstandshalterungen am Umfang des stillstehenden Bauteils platziert werden, um den Antennendraht am stillstehenden Bauteil zu fixieren. Die so montierte Antenne ist gegenüber me¬ chanischen Einwirkungen sehr empfindlich und weist ein hohes Risiko auf, dass es während der Montage der Bauteile zerstört wird .
Mit hohem Aufwand werden die Ringantennen für die telemetri- sche Datenübertragung an einem stillstehenden Bauteil appli- ziert. Alternativ werden die Sende- und Empfangsantennen in einem Trägermaterial integriert, um den Montageaufwand zu mi¬ nimieren; dies ist jedoch nur für relativ kleine Durchmesser machbar. Im Falle einer Datenübertragung in einem Getriebe wie einem Planetengetriebe von einem rotierenden Planetenträ- ger zu einem feststehenden Getriebegehäuse sind am Planetenträger aufgrund von Designbeschränkungen keine dafür geeigneten kleinen Durchmesser realisierbar; daher ist die Integration von Sende- und Empfangsantennen in das Trägermaterial bei Planetenträgern nicht machbar.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problemstel¬ lung ist die zeitnahe Übertragung von Messsignalen von einem rotierenden System auf ein ruhendes System. Zeitnah bedeutet hier, dass die von einem auf dem rotierenden Bauteil angeord- neten Sensor gemessenen Sensordaten ohne wesentliche zeitliche Verzögerung, vorzugsweise noch in derselben oder einer darauffolgenden Rotation des rotierenden Bauteils, zum ruhenden Bauteil übertragen werden. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Bau¬ gruppe, aufweisend ein erstes Bauteil und ein zweites, in Be¬ zug auf das erste Bauteil rotierendes Bauteil, wobei an dem ersten Bauteil mindestens zwei zueinander in einem Abstand angeordnete Antennen fixiert sind und an dem zweiten Bauteil ein Transponder fixiert ist, welcher sich bei einer Rotation des zweiten Bauteils durch ein von den mindestens zwei Antennen generiertes Antennenfeld bewegt. Die Baugruppe kann ein Getriebe sein, wobei das erste Bauteil ein Getriebegehäuse oder ein mit dem Getriebegehäuse verbun¬ denes Bauteil und das zweite Bauteil ein relativ zu dem ers¬ ten Bauteil rotierendes Bauteil wie, im Falle eines Planeten¬ getriebes, ein Planetenträger oder, im Falle eines Stirnrad- getriebes, eine Welle oder ein Zahnrad sein kann.
Unter Transponder ist eine bidirektionale Übertragungs- Vorrichtung zu verstehen, welche drahtlos, z.B. induktiv, übertragene Energie aufnehmen kann und Signale, z.B. von Sen- soren ermittelte Messwerte, aussenden kann. Dabei kann der Transponder aus einem einzigen Gerät bestehen oder mehrere Geräte, z.B. ein Empfangs- und ein Sendegerät, umfassen.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Antennen, welche zu- einander in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, ergibt sich eine Verlängerung des durch die mindestens zwei Antennen generierten Antennenfeldes entlang einer Verbindungslinie der mindestens zwei Antennen. Die vorliegende Erfindung bietet eine Verbesserung einer zeitnahen Übertragung von Messsignalen von einem rotierenden System auf ein ruhendes System. Insbesondere handelt es sich um eine Übertragung von durch auf einem rotierenden Bauteil angeordneten Sensoren gewonnenen Messsignalen mittels eines auf dem rotierenden Bauteil angeordneten Transponders zu ei¬ nem durch auf einem nicht-rotierenden Bauteil angeordneten Antennen generierten Antennenfeldes. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung von min¬ destens zwei Antennen, beispielsweise von Segment- und/oder Punktantennen, auf einem ruhenden, d.h. nicht rotierenden Bauteil einer Baugruppe, z.B. auf einer WKA (= Windkraftanla- ge) , wobei Sensormesswerte von einem rotierenden Bauteil der Baugruppe zu den zwei oder mehr Antennen auf dem nicht rotie¬ renden Bauteil der Baugruppe übertragen werden.
Das nicht rotierende Bauteil der WKA kann ein Getriebegehäuse sein. Das rotierende Bauteil der WKA kann ein in dem Getrie¬ begehäuse drehbar gelagerter Planetenträger sein, der relativ zu dem Getriebegehäuse rotiert.
Der Aufbau eines Antennenfeldes kann für unterschiedliche Si- tuationen auf unterschiedliche Weise erfolgen:
Situation a) : Bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten eines Transponders, welcher sich durch das Antennenfeld mit einer Geschwindigkeit vi bewegt, und bei der Verwendung von Senso- ren, die über einen geringen Energieverbrauch verfügen, reicht die Antennenleistung einer einzigen Antenne aus, um bei einem Durchfahren des Transponders durch das Antennenfeld sowohl die elektrische Energie für das rotierende System vom Antennenfeld zu dem Transponder zu übertragen und gleichzei- tig die Zustandsdaten der angeschlossenen Sensoren vom Transponder zum Antennenfeld zu übertragen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine davon abweichende Si¬ tuation b) : Bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten eines Trans- ponders, der sich durch das Antennenfeld mit einer Geschwin¬ digkeit v2 > vi bewegt, für eine höhere Anzahl von Sensoren pro Transponder oder für Sensoren höherer Leistung mit relativ geringem ohmschen Widerstand reicht die Antennenleistung einer einzigen Antenne und die kurze Verweildauer des Trans- ponders im Antennenfeld nicht aus, um die Daten in einem
Durchlauf des Transponders im Antennenfeld auslesen zu kön¬ nen. Erschwerend kommt die Reflexion des Antennenfeldes in Getriebeinnenraum hinzu, wodurch das Antennenfeld in seiner Leistung geschwächt wird. Die Schwächung erfolgt durch Refle¬ xion an benachbarte Stahl- und Gussbauteilen sowie an dem Spritzöl im Getriebeinnenraum. Um dieses Problem zu lösen bietet die Erfindung verschiedene Lösungsansätze, basierend auf zwei oder mehr Antennen auf dem nicht rotierenden Bauteil der Baugruppe:
- Verwendung von zwei Antennen, die einen größeren Abstand aufweisen. Dabei induziert eine erste Antenne eine elektri¬ sche Leistung in das Transpondersystem beim Durchfahren des von der ersten Antenne generierten ersten Teil Fl eines Antennenfeldes. Beim darauffolgenden Durchfahren des von der zweiten Antenne generierten zweiten Teils F2 eines Antennen- feldes werden dann nur noch die von den Sensoren gewonnenen Messsignale, d.h. die Zustandsdaten, aus dem
Transpondersystem ausgelesen.
- Verwendung von mindestens zwei Antennen, die einen kleine- ren Abstand aufweisen. Der Abstand der beiden Antennen ist so gewählt, dass sich aus den Feldern der einzelnen Antennen ein gemeinsames, vergrößertes Antennenfeld F3 ergibt.
- Verwendung einer Segmentantenne, die in der Richtung der Transponderbewegung eine Ausdehnung des Antennenfeldes ermög¬ licht, siehe Fig. 4.
Eine weitere, hier nicht dargestellte Lösung ist eine draht¬ lose Energieübertragung mithilfe resonanter Energieübertra- gung auf Basis von oszillierenden Magnetfeldern: Resonant gekoppelte Induktion zur Verstärkung der Antennenleistung, siehe z.B. WO2007008646A2 (Massachusetts Institute of Technolo¬ gy) 18.01.2007. Bei der RFID-Technologie kommen sogenannte Transponder mit Sensoren zum Einsatz, die nur ein deutlich eingeschränktes Antennenfeld besitzen. Werden zum Beispiel nur sich langsam ändernde Messgrößen erfasst, z.B. eine Temperatur in einem Lager, besteht die Möglichkeit, die Abtastfrequenz dieser Messsignale deutlich zu reduzieren. Je nach der Drehzahl des rotierenden Systems ist es völlig ausreichend, dass pro Um¬ drehung maximal eine Messinformation je Sensor vom rotieren- den Bauteil auf das stillstehende Bauteil übertragen wird.
Da z.B. je Umdrehung nur ein Messsignal benötigt wird, be¬ steht die Möglichkeit, auf der Empfangsseite auf die übliche Ringantenne zu verzichten und eine lokal am Umfang angeordne- te Empfangsantenne zu platzieren. Je nach Umfangsgeschwindig¬ keit der Transponder (RFID) kann die Empfängerantenne in Um- fangsrichtung räumlich ausgedehnt werden, siehe FIG 4, um die Mindestverweildauer des Transponders im Antennenfeld zur Da¬ tenübertragung zu gewährleisten. Sind die Umfangsgeschwindig- keiten größer, so kann ein vergrößertes Antennenfeld auf der Empfangsseite mittels zweier elektronisch gekoppelter lokaler Punktantennen realisiert werden. Dabei werden die einzelnen Empfangsantennenmodule auf dem Rotationsdurchmesser der
Transponder mit einem Öffnungswinkel von 10 bis 45 Grad plat- ziert. Somit ergibt sich ein vergrößertes Antennenfeld in Um- fangsrichtung . Die Verweildauer eines Transponders, der sich durch das Antennenfeld bewegt, im Antennenfeld ist somit ver¬ größert und der Transponder kann ausgelesen werden. Die Erfindung bietet eine neuartige Verwendung von Standard- Technologien in Windgetrieben. Es entfallen Ringantennen auf großen Durchmessern durch den Einsatz von mindestens zwei lokalen Empfangsantennen zur Erzeugung eines vergrößerten Antennenfelds in Umfangsrichtung und zur Erhöhung der Verweil- dauer der Transponder zur Datenauslesung bei größeren Umfangsgeschwindigkeiten .
Die dadurch erzielten Vorteile sind ein verringerter Montageaufwand, ein auf die Umfangsgeschwindigkeit angepasstes An- tennenfeld und eine verringerte Empfindlichkeit gegen Beschä¬ digungen . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängi¬ gen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umge- kehrt .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Baugruppe ein WKA-Getriebe, das erste Bauteil ein Getriebege¬ häuse und das zweite Bauteil ein Planetenträger. Von Vorteil ist dabei, dass die schwer zugänglichen Bauteile eines Plane¬ tengetriebes wie Planetenachse und Planetenrad überwacht wer¬ den können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zu- mindest eine der Antennen eine Segmentantenne, welche ein
Segment des ersten Bauteils von 10° bis 45° abdeckt. Von Vor¬ teil ist dabei, dass somit das Antennenfeld entlang der Um¬ laufbahn des Transponders verlängert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein segmentförmiges Antennenfeld auf dem ersten Bauteil mithilfe von zwei oder mehr gekoppelten lokalen Punktantennen gebildet. Von Vorteil ist dabei, dass ein verlängertes Antennen¬ feld aus Antennen-Standardbauteilen aufgebaut werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Öffnungswinkel der Punktantennen bei jeweils 10 bis 45°. Von Vorteil ist dabei, dass der Sende- und Empfangsbereich des Antennenfelds auf den jeweiligen Anwendungsfall maßgeschnei- dert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das segmentförmige Antennenfeld aus zwei bis vier Antennenmodulen gebildet. Von Vorteil ist dabei, dass ein verlängertes Anten- nenfeld aus Antennen-Standardbauteilen aufgebaut werden kann.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertragung in einer Baugruppe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Transponder bei einer Rotation des zweiten Bauteils durch das Antennenfeld bewegt, wobei die zur Aktivierung des Transponders benötigte Energie durch das Antennenfeld auf den Transponder übertragen wird, und wobei Daten vom Transponder durch das Antennenfeld auf mindestens eine der Antennen übertragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Zahl der Antennen so groß gewählt und/oder das Antennenfeld ist so langgestreckt, dass in einer Rotation des zweiten Bau¬ teils eine vollständige Datenübertragung vom Transponder zu dem Antennenfeld erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Sensormesswerte von dem Transponder zu dem Antennenfeld auf dem ersten Bauteil übertragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung induziert eine erste Antenne eine elektrische Leistung in den Transpon- der, wenn der Transponder den von der ersten Antenne generierten ersten Teil des Antennenfeldes durchläuft, und eine zweite Antenne empfängt die von den Sensoren gewonnenen Mess¬ signale von dem Transponder, wenn der Transponder den von der zweiten Antenne generierten zweiten Teil des Antennenfeldes durchläuft. Von Vorteil ist dabei, dass die Energieübertra¬ gung vom Antennenfeld zum Transponder und die Datenübertra¬ gung vom Transponder zum Antennenfeld hintereinander erfolgen kann . Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Abstand der mindestens zwei Antennen so gewählt, dass sich aus den Feldern der einzelnen Antennen ein gemeinsames, vergrößertes Antennenfeld ergibt. Von Vorteil ist dabei, dass die Energieübertragung vom Antennenfeld zum Transponder und die Datenübertragung vom Transponder zum Antennenfeld parallel erfolgen können oder hintereinander ohne eine durch eine Lücke im Antennenfeld bedingte Unterbrechung. Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu Fig. 1 einen Schnitt durch eine Planetenradachse mit darin angeordneten Sensoren und einem RFID-Transponder und ein RFID-Lesegerät ;
Fig. 2 den Schnitt von Fig. 1 mit einer alternativen Posi- tionierung des RFID-Transponders und des RFID-
Lesegeräts ;
Fig. 3 eine herkömmliche Ringantenne an einem Bauteil mit einem Durchmesser von ca. 2m; und
Fig. 4 eine Ansicht einer Segmentantenne;
Fig. 5 einen Schnitt durch ein aus Punktantennen generiertes Antennenfeld;
Fig. 6 eine Übertragungsvorrichtung mit zwei Antennen in einer ersten Ausgestaltung; und.
Fig. 7 eine Übertragungsvorrichtung mit zwei Antennen in einer anderen Ausgestaltung.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine in einem Planetenträger 13 nicht-rotierbar fixierte Planetenradachse 104 mit darin angeordneten Sensoren 301, welche über Übertragungsleitungen 303 mit einem an dem Planetenträger 13 angeordneten RFID- Transponder 302 verbunden sind.
Die Planetenradachse 104 umfasst Olverteilungskanalabschnitte 110, 112, 114 zur Druckschmierung des Radial-Gleitlagers 108 und der Axial-Gleitlager 105, über welche ein Planetenrad 12 auf der Planetenradachse 104 drehbar gelagert ist. Zusätzlich weist die Planetenradachse 104 eine axiale Bohrung 113 auf, die bei einer Tauchschmierung als ein Ölreservoir dient. Die Planetengetriebestufe weist eine Durchflussbohrung 119 in der Planetenträgerwange 106 und ein Füllloch 118 in der Planeten- radachse 104 auf, so dass in einem Ölsumpf vorrätiges Öl durch die Durchflussbohrung 119 der Planetenträgerwange 106 und das Füllloch 118 der Planetenradachse 104 in die als Öl- reservoir dienende axiale Bohrung 113 einströmen kann.
Quer zur Achse der axialen Bohrung 113 verlaufend sind zwei Querbohrungen in der Planetenradachse 104 angeordnet, welche eine Verbindung von der axialen Bohrung 113 zu dem Radial- Gleitlager 108 schaffen; in diese Querbohrungen ist jeweils ein Sensor 301 eingesetzt. Diese Sensoren, z.B. in Form von Thermoelementen, messen Temperaturen des benachbarten Radial- Gleitlagers 108. Die von den Sensoren 301 erfassten Tempera- tur-Messwerte werden über Datenleitungen 303, die jeweils von den Sensoren 301 durch die axiale Bohrung 113, das Füllloch 118 und die Durchflussbohrung 119 zu einem an einem Planetenträger 13 angeordneten RFID-Transponder 302 verlaufen, von den Sensoren 301 zu dem RFID-Transponder 302 übertragen wer- den.
Der Planetenträger 13 ist mithilfe von Lagern 15, d.h. Wälzoder Gleitlagern, gegenüber dem Getriebegehäuse 4 drehbar gelagert. Am feststehenden Getriebegehäuse 4 sind zwei Antennen in Form eines RFID-Lesegeräts 304 so angeordnet, dass der am Planetenträger 13 angeordnete RFID-Transponder 302 bei einer Rotation des Planetenträgers 13 in unmittelbarer Nähe an den zwei Antennen in Form des RFID-Lesegeräts 304 vorbei geführt wird. Das Lesegerät umfasst dabei zwei Antennen, welche in Richtung der Umlaufbahn des Transponders 302 nebeneinander angeordnet sind.
Dabei bewegt sich der Transponder 302, entsprechend der Rota¬ tion des den Transponder 302 tragenden Planetenträgers 13, auf einer kreisförmigen Umlaufbahn periodisch an dem stationären Lesegerät 304 vorbei. Dabei ist eine gewisse Verweil¬ dauer des Transponders 302 im Feld des Lesegeräts 304 erfor¬ derlich, z.B. im Bereich von 50 bis 100 ms, um einen voll- ständigen Abfragezyklus der Temperatur der Sensoren zu durchlaufen. Bei einer maximalen tangentialen Transpondergeschwin- digkeit im Bereich von 4,5 m/s sind Antennenabmessungen von Transponder 302 und Lesegerät 304 im Bereich von 5 bis 50 cm nötig und realisierbar.
Der Planetenträger weist eine maximale Rotationsgeschwindig¬ keit im Bereich von 4,5 m/s auf, entsprechend einer Drehzahl von 42 Umdrehungen pro Minute. Dabei ist es möglich, dass Spritzöl an das Lesegerät 304 gelangt und der Transponder 302 sowie die Sensoren 301 in den Ölsumpf des Getriebes eintau¬ chen. Die Sensoren 301 und die RFID-Geräte 302, 304 sind Ge¬ triebeöl-beständig, d.h. so ausgelegt, dass sie durch das Um¬ gebungsmedium Getriebeöl nicht geschädigt werden. Dabei wird durch das Lesegerät 304 pro Umdrehung einmal ein Signal vom Transponder 302 ausgelesen.
Auf diese Weise ist ein Auslesen des RFID-Transponders 302 durch das Lesegerät 304 zumindest einmal während einer Rota- tion des Planetenträgers mit der darin fixierten Planetenrad- achse 104 möglich.
Fig. 2 zeigt denselben Schnitt wie Fig. 1 durch eine in einem Planetenträger 13 nicht-rotierbar fixierte Planetenradachse 104. Der einzige Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Aus¬ gestaltung liegt in der veränderten Position des RFID- Transponders 302 und des RFID-Lesegeräts 304. Während in Fig. 1 Transponder 302 und Lesegerät 304 im Moment des kleinsten relativen Abstands axial zueinander positioniert sind, sind in Fig. 2 Transponder 302 und Lesegerät 304 im Moment des kleinsten relativen Abstands radial zueinander positioniert.
Fig. 3 zeigt ein Bauteil 1 einer WKA, z.B. einen
Gehäusedeckel. Um eine axiale Öffnung 10 des Bauteils 1 herum angeordnet ist eine herkömmliche Ringantenne 3, welche mit¬ tels Abstandshaltern 2 an dem Bauteil 1 befestigt ist. Durch die oberflächliche Positionierung der Ringantenne 3 ergibt sich ein Risiko, dass die Ringantenne 3 bei der Montage des Bauteils 1 beschädigt wird.
Fig. 4 zeigt eine Segmentantenne 5. Auf einem Antennensub- strat 6 aus einem nichtleitenden Material wie Kunststoff sind überlappend drei Antennen-Segmente 7 angeordnet, welche als Empfangsantennen dienen. Ein Anschlusskabel 8 ist - insbesondere über eine Parallelschaltung - mit jedem der den Antennen-Segmente 7 verbunden; über das Anschlusskabel 8 können in den Antennensegmenten 7 empfangene Signale weitergeleitet werden, z.B. zu einer Datenauswertungseinheit. Die Segmentan¬ tenne 5 kann mithilfe von Durchgangsbohrungen 9 für Befestigungsschrauben an einem Bauteil befestigt werden. Fig. 5 zeigt eine Darstellung von Einzelantennen. Vier Punktantennen 16 bilden zusammen ein Antennenfeld 17, gebildet aus den überlappenden Empfangsbereichen der Punktantennen 16. Ein auf einem rotierenden Bauteil montierter Transponder 302, der sich auf einer Umlaufbahn 18 um eine Rotationsachse des ro- tierenden Bauteils und sich einmal pro Rotation durch das Antennenfeld 17 bewegt, übermittelt Daten zu den einzelnen Punktantennen 15, wenn er sich in dem Antennenfeld 17 befindet. Parallel zu der Datenübertragung kann in umgekehrter Richtung Energie von dem Antennenfeld 17 zu dem Transponder 302 übertragen werden.
Fig. 6 zeigt zwei an einem ersten Bauteil 4 fixierte Antennen 21, 22, welche zueinander in einem Antennenabstand s angeord¬ net sind. Der von der ersten Antenne 21 generierte erste Teil Fl des Antennenfelds und der von der zweiten Antenne 22 gene¬ rierte zweite Teil F2 des Antennenfelds weisen zueinander ei¬ nen Feldabstand s2 auf. Ein auf einem zweiten, gegenüber dem ersten Bauteil 4 rotierenden Bauteil angeordneter Transponder 302, der über Datenleitungen mit auf dem zweiten Bauteil an- geordneten Sensoren 301 verbunden ist, bewegt sich auf einer Umlaufbahn 24 durch die beiden Teile Fl und F2 des Antennenfeldes . Dabei induziert die erste Antenne 21 eine elektrische Leis¬ tung in das Transpondersystem 302, während des Durchlaufens des von der ersten Antenne generierten ersten Teil Fl des Antennenfeldes durch den Transponder 302. Beim darauffolgenden Durchlaufen des von der zweiten Antenne 22 generierten zweiten Teils F2 des Antennenfeldes werden dann die von den Sen¬ soren 301 gewonnenen Messsignale, d.h. die Zustandsdaten, aus dem Transpondersystem 302 ausgelesen. Die erste Antenne 21 induziert eine elektrische Leistung in den Transponder 302, wenn der Transponder 302 den von der ersten Antenne 21 generierten ersten Teil Fl des Antennenfeldes durchläuft, und wobei eine zweite Antenne 22 die von den Sensoren 301 gewonnenen Messsignale von dem Transponder 302 empfängt, wenn der Transponder 302 den von der zweiten Antenne 22 generierten zweiten Teil F2 des Antennenfeldes durchläuft .
Fig. 7 zeigt eine Antennenkonstellation, welche der in Fig. 6 dargestellten Antennenkonstellation ähnlich ist. Im Unterschied zu der in Fig. 6 dargestellten Antennenkonstellation sind bei der in Fig. 7 gezeigten Antennenkonstellation die beiden an dem ersten Bauteil 4 fixierten Antennen 21, 22 zueinander in einem Antennenabstand s angeordnet, welcher er- heblich kleiner ist als der in Fig. 6 gezeigte Antennenab¬ stand s. Der Abstand der beiden Antennen 21, 22 ist so gewählt, dass sich aus den Feldern der einzelnen Antennen 21, 22 ein gemeinsames, vergrößertes Antennenfeld F3 ergibt. Der von der ersten Antenne 21 generierte erste Teil des An¬ tennenfelds und der von der zweiten Antenne 22 generierte zweite Teil des Antennenfelds gehen ohne Abstand ineinander über und bilden ein gemeinsames Antennenfeld F3. Ein auf ei¬ nem zweiten, gegenüber dem ersten Bauteil 4 rotierenden Bau- teil angeordneter Transponder 302, der über Datenleitungen mit auf dem zweiten Bauteil angeordneten Sensoren 301 verbunden ist, bewegt sich mit einer Bahngeschwindigkeit v auf ei¬ ner Umlaufbahn 24 durch das Antennenfeld F3. Das Antennenfeld F3 induziert eine elektrische Leistung in den Transponder 302, wenn der Transponder 302 das Antennenfeld F3 durchläuft, und das Antennenfeld F3 empfängt die von den Sensoren 301 gewonnenen Messsignale von dem Transponder 302, wenn der Transponder 302 das Antennenfeld F3 durchläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Baugruppe, aufweisend ein erstes Bauteil (4) und ein zweites, relativ zu dem ersten Bauteil (4) rotierendes Bau- teil (13), wobei an dem ersten Bauteil (4) mindestens zwei zueinander in einem Abstand (s) angeordnete Antennen (21, 22) fixiert sind und an dem zweiten Bauteil (13) ein Transponder (302) fixiert ist, welcher sich bei einer Rotation des zweiten Bauteils (13) durch ein von den mindestens zwei Antennen (21, 22) generiertes Antennenfeld (Fl, F2, F3) bewegt.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Baugruppe ein WKA- Getriebe, das erste Bauteil (4) ein Getriebegehäuse und das zweite Bauteil (13) ein Planetenträger ist.
3. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Antennen (21, 22) eine Segmentantenne (5) ist, welche ein Segment des ersten Bauteils (4) von 10° bis 45° abdeckt.
4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein segmentförmiges Antennenfeld auf dem ersten Bauteil (13) mithilfe von zwei oder mehr gekoppelten lokalen Punktantennen (16) gebildet wird.
5. Baugruppe nach Anspruch 4, wobei der Öffnungswinkel der Punktantennen (16) bei jeweils 10 bis 45° liegt.
6. Verwendung nach Anspruch 4, wobei das segmentförmige An- tennenfeld (Fl, F2, F3) aus zwei bis vier Antennenmodulen
(21, 22) gebildet wird.
7. Verfahren zur Daten- und/oder Energieübertragung in einer Baugruppe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Transponder (302) bei einer Rotation des zweiten
Bauteils (13) durch das Antennenfeld (Fl, F2, F3) bewegt, wo¬ bei die zur Aktivierung des Transponders (302) benötigte Energie durch das Antennenfeld (Fl, F2, F3) auf den Transpon- der (302) übertragen wird, und wobei Daten vom Transponder (302) durch das Antennenfeld (Fl, F2, F3) auf mindestens eine der Antennen (21, 22) übertragen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zahl der Antennen
(21, 22) so groß gewählt wird und/oder das durch die Antennen (21, 22) generierte Antennenfeld (Fl, F2, F3) so langge¬ streckt ist, dass in einer Rotation des zweiten Bauteils (13) eine vollständige Datenübertragung vom Transponder (302) zu dem Antennenfeld (Fl, F2, F3) erfolgen kann.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei Sensormesswerte von dem Transponder (302) zu dem Antennenfeld (Fl, F2, F3) auf dem ersten Bauteil (4) übertragen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine erste Antenne (21) eine elektrische Leistung in den Transpon¬ der (302) induziert, wenn der Transponder (302) einen von der ersten Antenne (21) generierten ersten Teil (Fl) des Anten- nenfeldes (Fl, F2) durchläuft, und wobei eine zweite Antenne (22) die von den Sensoren (301) gewonnenen Messsignale von dem Transponder (302) empfängt, wenn der Transponder (302) einen von der zweiten Antenne (22) generierten zweiten Teil (F2) des Antennenfeldes (Fl, F2) durchläuft.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Abstand (s) der mindestens zwei Antennen (21, 22) so gewählt wird, dass sich aus den Feldern (Fl, F2) der einzelnen Antennen (21, 22) ein gemeinsames, vergrößertes Antennenfeld (F3) ergibt.
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