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DE102006044057A1 - System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik - Google Patents

System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik Download PDF

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DE102006044057A1
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field
magnetic field
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resonance
sensors
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Berthold Dipl.-Ing. Dilger
Rolf Dr. Disselnkötter
Jean Dr.-Ing. Schutz
Richard Dipl.-Ing. Steigmann
Christian Dipl.-Ing. Willmes
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ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

Es wird ein System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik vorgeschlagen, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein Magnetfeld zur drahtlosen Versorgung dieser Geräte mit elektrischer Energie erzeugt und wobei jedes dieser Geräte mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist. Es wird mindestens eine Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (4, 4.1, 4.2, 6) in das durch die Primärwicklung erzeugte Magnetfeld mit einem gewünschten Neigungswinkel eingebracht, wobei die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (4, 4.1, 4.2, 6) aus einem auf Resonanz mit dem Magnetfeld abgeglichenen ungedämpften Schwingkreis gebildet und derart im Magnetfeld ausgerichtet ist, dass das über den resultierenden hohen Resonanzstrom erzeugte Hilfsfeld einen abgeschatteten Feldbereich erreicht und die dort verfügbare Feldstärke verstärkt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 199 26 799 A1 sind ein Verfahren respektive eine Anordnung respektive ein System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Näherungssensoren (z. B. an einer Maschine, insbesondere Fertigungsautomat montiert) bekannt,
    • – wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung vorgesehen ist, welche ein mittelfrequentes Magnetfeld erzeugt, um derart Näherungssensoren drahtlos mit elektrischer Energie zu versorgen (Primärfeld),
    • – wobei jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
    • – wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung abgibt.
  • Für die Erzeugung des Magnetfeldes (Primärfeld) dienen zwei oder drei orthogonal zueinander angeordnete Primärwicklungen. Zusätzlich kann zur Realisierung einer „Spot- Wirkung" mindestens eine, mindestens eine Sekundärwicklung eines Näherungssensors lokal beeinflussende Primärwicklung vorgesehen sein.
  • Die Näherungssensoren sind mit zwei oder drei zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeigneten orthogonalen Sekundärwicklungen versehen, welche mit einem Resonanzkondensator und mit einem AC/DC-Steller beschaltet sind, welcher einen Energiespeicher auflädt.
  • Aus der DE 199 26 562 A1 ist ein dementsprechendes Verfahren respektive eine Anordnung respektive ein System für eine Vielzahl von Aktoren bekannt.
  • Aus der DE 100 55 404 A1 ist eine hierzu korrespondierende Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld bekannt, mit einer dreidimensionalen Wicklungsanordnung, gebildet aus einem zentralen, kubusförmigen Kern aus einem magnetisch wirksamen Material, auf welchem mindestens drei Wicklungen aufgebracht sind, deren Wicklungsachsen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind und sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Jede der drei Wicklungen ist mit einem Resonanzkondensator zu einem Resonanzkreis verschaltet und mit einem Gleichrichter verbunden, an welchem die verfügbare Ausgangsleistung abgenommen werden kann.
  • Im Idealfall wird jeder Sensor respektive jeder Aktor, der sich im Primärfeld respektive Magnetfeld befindet, an seinem Montageort eine ausreichende Feldstärke für die Energieversorgung vorfinden. In der Praxis wird es aber durchaus vorkommen, dass bestimmte Volumenbereiche im Primärfeld ungenügende Feldstärkewerte aufweisen. Beispiele für derart abgeschattete Feldbereiche sind der Fundamentbereich bei einem Industrieroboter oder eine von Metallflächen umgebene Nische. In diesen abgeschatteten Feldbereichen ist die sichere und ausreichende Energieversorgung von dort befindlichen Sensoren respektive Aktoren nicht gewährleistet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik der eingangs genannten Art anzugeben, welches auch in abgeschatteten Feldbereichen angeordnete Sensoren und/oder Aktoren ausreichend mit Energie versorgt.
  • 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 es unter Verwendung der vorgeschlagenen Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten in einfacher Art und Weise und dem konkreten und speziellen Anwendungsfall angepasst möglich ist, die magnetische Feldstärke in abgeschatteten Feldbereichen gezielt zu verstärken, indem Feldlinien des Primärfeldes in diese feldstärkeschwachen Bereiche in verstärkter Form eingeleitet oder umgelenkt werden. Die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten sind als fertige Komponenten produzierbar und somit ab Lager sofort verfügbar, so dass ihr Einsatz zur Feldverstärkung im Bedarfsfall preiswert und komplikationslos erfolgen kann.
  • 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:
  • 1, 2 zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit,
  • 3, 4, 5, 6 vier Ausführungsbeispiele für den Einsatz einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit oder mehrerer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten.
  • Wie eingangs bereits erwähnt, wird von einem System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik ausgegangen, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein Magnetfeld zur drahtlosen Versorgung der Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik mit elektrischer Energie erzeugt und wobei jeder Sensor und/oder Aktor und/oder andere Elektronik mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist. Es wird hierzu auf die Ausführungen der eingangs erwähnten DE 199 26 799 A1 und DE 199 26 562 A1 hingewiesen.
  • In feldschwachen, insbesondere abgeschatteten Bereichen wird der Einsatz mindestens einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit vorgeschlagen, welche am gewünschten Ort in das durch die Primärwicklung erzeugte Magnetfeld mit einem gewünschten Neigungswinkel eingebracht (montiert) wird, wobei die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit aus einem auf Resonanz mit dem Magnetfeld abgeglichenen ungedämpften Schwingkreis gebildet und derart im Magnetfeld ausgerichtet ist, dass das über den resultierenden hohen Resonanzstrom in der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit erzeugte Hilfsfeld einen abgeschatteten Feldbereich erreicht und derart die dort verfügbare Feldstärke verstärkt. Dabei können zwei unterschiedlichen Ausführungsformen einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit eingesetzt werden:
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit dargestellt. Die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4 besteht aus einem von einer Wicklung 2 umschlossenen Ferritstab 1, wobei an die Enden der Wicklung 3 ein Resonanzkondensator 3 angeschlossen ist.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit dargestellt. Die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 besteht aus einer Luftspule 5, an deren Enden ein Resonanzkondensator 3 angeschlossen ist. Die Luftspule 5 kann mehrere Windungen aufweisen (vorzugsweise im Bereich 1...10 Windungen) und hat einen auf die gegebene Feldverstärkungsaufgabe angepassten Durchmesser, welcher vorzugsweise im Bereich 20...100 cm liegt.
  • Selbstverständlich weisen beide Ausführungsformen der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten vorzugsweise einstellbare bzw. verstellbare Montagemittel auf, welche eine einfache Befestigung am gewünschten Ort und in gewünschter Ausrichtung im Magnetfeld ermöglichen.
  • Für beide Ausführungsformen gemäß 1 und 2 gilt für den erforderlichen Resonanzabgleich mit dem eingangs erwähnten Primärfeld (Magnetfeld) die allgemein bekannte Schwingkreis-Beziehung
    Figure 00050001
    mit
    • L
    = Induktivität des Schwingkreises der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
    C
    = Kapazität des Schwingkreises der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
    T
    = Periodendauer des Schwingkreises der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
    f
    = Frequenz des Schwingkreises der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
  • In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für den konkreten Einsatz einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4 in ein Magnetfeld mit Feldlinien 7 eingebracht ist, wobei der Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4 bezüglich der Richtung der Feldlinien α1 beträgt. Die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4 bewirkt eine partielle Ablenkung eines Teils der Feldlinien 7 – siehe abgelenkte Feldlinien 8.
  • In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für den konkreten Einsatz einer Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 in ein Magnetfeld mit Feldlinien 7 eingebracht ist, wobei der Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 bezüglich der Richtung der Feldlinien α2 beträgt. Die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 bewirkt wiederum eine partielle Ablenkung der Feldlinien 7 – siehe abgelenkte Feldlinien 8.
  • In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches einen speziellen Einsatz mehrerer „nacheinander geschalteter" Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten zeigt. Es ist zu erkennen, dass drei Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten 4.1, 6 und 4.2 in ein Magnetfeld mit Feldlinien 7 eingebracht sind,
    • • wobei der Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.1 bezüglich der Richtung der Feldlinien α3 beträgt,
    • • wobei der Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 bezüglich der Richtung der Feldlinien α4 > α3 beträgt,
    • • wobei der Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.2 bezüglich der Richtung der Feldlinien α5 > α4 beträgt.
  • Die drei Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.1, 6 und 4.2 sind derart „nacheinander" im Magnetfeld angeordnet, dass die abgelenkten Feldlinien 8.1 der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.1 in die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 eintreten und dass nachfolgend die abgelenkten Feldlinien 8.2 der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 in die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.2 eintreten. Im Ergebnis zeigen die abgelenkten und aus der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 4.2 austretenden Feldlinien 8.3 in Richtung des abgeschatteten Feldbereiches, welcher verstärkt werden soll. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 werden die Feldlinien 8.3 quasi rechtwinklig gegenüber den Feldlinien 7 abgelenkt. Auf diese Weise kann ein durch eine Metallabschirmung 10 vom Magnetfeld abgeschirmter und in einer unzugänglichen Nische befindlicher Sensor oder Aktor (oder andere beliebige Elektronik) 9 drahtlos aus dem Magnetfeld gespeist werden.
  • In 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches einen durch eine Metallabschirmung 10 vom Magnetfeld abgeschirmten und in einer unzugänglichen Nische befindlichen Sensor oder Aktor 9 (oder andere Elektronik) zeigt. Durch die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit 6 erfolgt eine Verstärkung (Konzentration) der Feldlinien 7 des Magnetfeldes, welche als verstärkte Feldlinien 8.4 gezielt zum Sensor/Aktor (bzw. zur beliebigen Elektronik) 9 gerichtet sind und derart dessen ausreichende Energieversorgung sicherstellen.
    • 1
    Ferritstab
    2
    Wicklung
    3
    Resonanzkondensator
    4
    4.1, 4.2 Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
    5
    Luftspule
    6
    Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit
    7
    Feldlinien des Magnetfeldes
    8
    8.1, 8.2, 8.3 abgelenkte Feldlinien, 8.4 verstärkte Feldlinien
    9
    Sensor oder Aktor oder andere beliebige Elektronik
    10
    Metallabschirmung
    α1, α2, α3, α4, α5
    Neigungswinkel der Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit bezüglich der Richtung der Feldlinien des Primärfeldes

Claims (4)

  1. System zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl von Geräten wie Sensoren und/oder Aktoren und/oder anderer Elektronik, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung ein Magnetfeld zur drahtlosen Versorgung dieser Geräte mit elektrischer Energie erzeugt und wobei jedes dieser Geräte mindestens eine zur Energieaufnahme aus dem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (4, 4.1, 4.2, 6) in das durch die Primärwicklung erzeugte Magnetfeld mit einem gewünschten Neigungswinkel (α1...α5) eingebracht wird, wobei die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (4, 4.1, 4.2, 6) aus einem auf Resonanz mit dem Magnetfeld abgeglichenen ungedämpften Schwingkreis gebildet und derart im Magnetfeld ausgerichtet ist, dass das über den resultierenden hohen Resonanzstrom erzeugte Hilfsfeld einen abgeschatteten Feldbereich erreicht und die dort verfügbare Feldstärke verstärkt.
  2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hintereinanderschaltung von mindestens zwei Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheiten (4, 4.1, 4.2, 6).
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (4, 4.1, 4.2) aus einer einen Ferritstab (1) umschließenden Wicklung (2) besteht, an welche ein Resonanzkondensator (3) angeschlossen ist.
  4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldverstärkungs- oder Ablenkungseinheit (6) aus einer Luftspule (5) besteht, an welche ein Resonanzkondensator (3) angeschlossen ist.
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