DE102018000030B4

DE102018000030B4 - System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102018000030B4
Application number: DE102018000030.4A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kreuzer
Original assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 2018-01-03
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: CN111788647B; US12021392B2; US20220337086A1; DE102018000030A1; CN111788647A; WO2019134720A1

Abstract

System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie, wobei das System aufweist:- eine Flanschscheibe (1) mit einer äußeren und einer inneren Stirnfläche, wobei die Flanschscheibe (1) eine der beiden Flanschscheiben eines Drehmomentmessflansches ist und aus Stahl, Titan oder Aluminium oder aus einem anderen Material oder einer Legierung mit vergleichbaren Eigenschaften besteht,- einen scheibenförmigen Ring (2) mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Außenseite des scheibenförmigen Rings (2) in einer Ebene mit der inneren Stirnfläche der Flanschscheibe (1) liegt,- eine ringförmige Kunststofffüllung (6), die auf der Umfangsfläche der Flanschscheibe (1) befestigt ist und eine Außenfläche aufweist, die in der gleichen Ebene zur äußeren Stirnfläche der Flanschscheibe (1) liegt,- eine Empfangsspule (7), die in der ringförmigen Kunststofffüllung (6) eingebettet ist,- einen U-förmigen Ferrit-Kern (3a, 3b, 3c) mit-- einem kurzen Abschnitt (3a), dessen Stirnfläche auf die Kunststofffüllung (6) gerichtet ist,-- einem langen Abschnitt (3b), der parallel zum kurzen Abschnitt (3a) ausgerichtet ist und sich parallel entlang der Außenfläche der ringförmigen Kunststofffüllung (6) erstreckt, wobei die Abschnitte (3a und 3b) über einen Abschnitt (3c) miteinander verbunden sind,- ein Induktionsspulensystem (4), das mit dem Ferrit-Kern (3a, 3b, 3c) in induktiver Wirkverbindung steht und so zur Flanschscheibe (1) angeordnet ist, dass beim Anlegen einer Spannung an das Induktionsspulensystem (4) ein magnetischer Energiefluss zwischen den Stirnseiten der beiden Abschnitte (3a, 3c) ausgebildet wird, und- eine aus umlaufenden Drahtwindungen bestehende Empfangsspule (7), wobei der Abstand (a) der Stirnseite des langen Abschnitts (3c) des Ferritkerns vom Mittelpunkt der Flanschscheibe (1) kleiner ist als der Abstand (b) der Empfangsspule (7) vom Mittelpunkt der Flanschscheibe (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie und speziell ein System zur Verminderung von magnetischen Streufeldern.
Zur Energieversorgung von sogenannten Drehmoment-Messflanschen wird die Energie induktiv, d.h. berührungslos übertragen. Die Energieübertragung im sogenannten Nahfeldbereich ist besonders effektiv und hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Der Abstand zwischen Sende- und Empfangsspule sollte möglichst gering sein. Jede Vergrößerung des Abstandes zwischen Sende- und Empfangsspule bewirkt eine Erhöhung des elektromagnetischen Streuflusses und dadurch eine Verringerung des Wirkungsgrades.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene diesbezügliche Konstruktionen bekannt, die unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden sollen. So ist in dem Dokument DE 75 064 69 U bekannt, im Zusammenhang mit der Überwachung von Maschinen mit umlaufenden Teilen - insbesondere hinsichtlich deren Temperatur - Systeme mit berührungsloser Informationsübertragung für die Übermittlung der Temperaturwerte von den rotierenden Teilen zu verwenden. Dabei wird gefordert, dass diese Systeme einfach, billig, störungsunempfindlich, drehzahlunabhängig und leicht an einer zu überwachenden Maschine anbringbar sein sollen, um aus den umlaufenden Teilen von Maschinen mittels elektrischem Strom bzw. Spannung Informationen über Temperatur, Dehnung, Isolationswiderstand usw. zu gewinnen, zu klassifizieren und zum Schutze der jeweiligen Maschine auszuwerten. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass im oder an dem Maschinenteil Messfühler angeordnet sind, dass das Maschinenteil mit dem Rotor eines Drehübertragers mechanisch gekuppelt und hierbei die Messfühler über Verbindungsleitungen mit einem am oder im Rotor befindlichen Schwellwertgerät elektrisch verbunden sind, das mit Mitteln für die Umformung der Messwertsignale in Schwellwertsignale ausgestattet ist, und dass das mittels Verbindungsleitungen mit der Rotorwicklung des Drehübertragers elektrisch verbundene Schwellwertgerät über den Drehübertrager mit einem mit der Statorwicklung des Drehübertragers mittels Verbindungsleitungen elektrisch verbundenen Steuergerät elektrisch gekoppelt ist, das Mittel für die Umformung der Schwellwertsignale in Warnsignale und Auslösesignale besitzt und zugleich als elektrisches Speisegerät der gesamten Messanordnung dient.
Aus dem Dokument EP 2 116 324 B1 ist eine Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von Signalen bekannt und beschrieben, dass bei Funk-Transpondersystemen mit einer Rotationsbewegung zwischen Sender und Empfänger die Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik der jeweiligen Antenne auf dem Rotor und/oder dem Stator wesentlich die Qualität der Datenübertragung bestimmt. Erwünscht ist hierbei eine möglichst konstante Sende- bzw. Empfangsqualität in jeder Winkelstellung. Eine suboptimale Sende- und/oder Empfangsqualität führt unmittelbar zu einer Erhöhung der Fehlerrate bei der Datenübertragung. Um diese potenziellen Mängel zu beseitigen wird eine Kombination einer Vielzahl von Antennen vorgeschlagen, von denen zwar keine für sich allein eine an sich gewünschte radialsymmetrische Abstrahlungs- bzw. Empfangscharakteristik bezüglich zwei durch eine drahtlose Übertragungsstrecke zu verbindenden Maschinenteile aufweist, deren Einzelcharakteristiken jedoch bei einer Zusammenschaltung der Antennen und geeigneter Speisung auf der Senderseite bzw. geeigneter Überlagerung der Einzelsignale auf der Empfängerseite eine näherungsweise radialsymmetrische Gesamtcharakteristik der Übertragung ergeben.
Weiterhin ist in dem Dokument US 2012 / 0 280 777 A1 ein spezieller, leicht zu installierender Drehübertrager 400 mit einer Flanschscheibe 701 und einer inneren Scheibe 702 beschrieben, der speziell im Bereich Luft- und Raumfahrt zur Übertragung von Energie einsetzbar ist.
Es ist bekannt, dass derartige Systeme sehr empfindlich auf sogenannte Geometrieänderungen reagieren, d. h. z. B. auf große Bauteiltoleranzen. Aus dem Stand der Technik sind diverse elektronische Kompensationsschaltungen bekannt, die den Einfluss von Geometrieänderungen kompensieren. Solche Kompensationsschaltungen werden z. B. in dem Dokument DE 20 2010 018 107 U1 „Selbstabgleichende Statorantenne zur optimierten kontaktlosen Energieübertragung bei Nahfeldtelemetrieanlagen“ beschrieben. Es ist festzustellen, dass Schwankungen der Energieübertragung entstehen können, wenn durch eine periodische Geometrieänderung sich die induktiven Verhältnisse periodisch verändern, was für rotierende Systeme typisch ist. Eine weitere Geometrieänderung tritt z. B. bei Wärmedehnungen auf, sodass sich z. B. die Größe des Luftspalts verändert. Es sollte beachtet werden, dass es relativ aufwändig ist, elektronische Schaltungen zur Kompensation von Schwankungen der übertragenen Energie vibrationsfest im Rotor eines solchen Systems zu befestigen, da die Rotoren z. B. in Motorprüfständen mit sehr hohen Drehzahlen laufen.
Eine weitere Störquelle sind äußere elektromagnetische Felder, die auf die Empfangsspule einwirken können und dadurch unerwünschte parasitäre Spannungen induzieren. Solche Effekte können z. B. bei elektrischen Fahrzeugantrieben auftreten, denn die Komponenten solcher Antriebe sind oft sehr eng aneinander angeordnet, sodass derartige äußere Störquellen in unmittelbarer Nähe der Empfangsspule der Nahfeld-Telemetrievorrichtungen liegen.
Es ist grundsätzlich zweckmäßiger, Schwankungen der Energie- bzw. Leistungsübertragung durch interne und externe Einflüsse zu vermeiden, als die Auswirkungen der Schwankungen nachträglich zu kompensieren.
Es besteht somit die Aufgabe, bei einem System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie geometriebedingte und äußere Störeinflüsse zu minimieren.
Diese Aufgabe wird mit einem System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie nach Anspruch 1 gelöst, wobei das System aufweist:

eine Flanschscheibe mit einer äußeren und einer inneren Stirnfläche, wobei die Flanschscheibe eine der beiden Flanschscheiben eines Drehmomentmessflansches ist und aus Stahl, Titan oder Aluminium oder aus einem anderen Metall oder einer Legierung mit vergleichbaren Eigenschaften besteht; einen scheibenförmigen Ring mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Außenseite des scheibenförmigen Rings in einer Ebene mit der inneren Stirnfläche der Flanschscheibe liegt; eine ringförmige Kunststofffüllung, die auf der Umfangsfläche der Flanschscheibe befestigt ist und eine Außenfläche aufweist, die in der gleichen Ebene zur äußeren Stirnfläche der Flanschscheibe liegt; eine aus umlaufenden Drahtwindungen bestehende Empfangsspule, die in der ringförmigen Kunststofffüllung eingebettet ist; einen U-förmigen Ferrit-Kern mit einem kurzen Abschnitt, dessen Stirnfläche auf die Kunststofffüllung gerichtet ist, und einem langen Abschnitt, der parallel zum kurzen Abschnitt ausgerichtet ist und der sich parallel entlang der Außenfläche der ringförmigen Kunststofffüllung erstreckt, wobei die beiden Abschnitte über einen waagerechten Abschnitt verbunden sind. Der Abstand der Stirnseite des langen Abschnitts vom Mittelpunkt der Flanschscheibe ist kleiner als der Abstand der Empfangsspule vom Mittelpunkt der Flanschscheibe.

Beim Anlegen einer Spannung an ein mit dem Ferrit-Kern in induktiver Wirkverbindung stehendes Induktionsspulensystem wird ein magnetischer Energiefluss zwischen der Stirnseite des kurzen Abschnitts und der Stirnseite des langen Abschnitts des Ferrit-Kerns ausgebildet.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Kombination der Merkmale „geometrische Position der beiden Stirnseiten des Ferritkerns“ und „scheibenförmiger Ring“ zwei positive Effekte gleichzeitig erzielt werden:

- sehr gute Abschirmung gegen äußere elektromagnetische Felder und
- nahezu konstante elektromagnetische Kopplungsverhältnisse auch bei radialer und axialer Verschiebung der Flanschscheibe.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 sind die Flanschscheibe und der scheibenförmige Ring einstückig gefertigt, vorzugsweise durch Drehen hergestellt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 3 ist in der Kunststofffüllung ein MU-Metall-Ring zur Konzentration und Führung des magnetischen Energieflusses eingebettet und so angeordnet, dass die Streuung der Magnetfeldlinien gering und die Übertragung der Energie in die Empfangsspule maximal ist. Dadurch verringert sich auch der Einfluss der äußeren elektromagnetischen Störfelder.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 4 ist in der Kunststofffüllung eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen, in die der kurze Abschnitt des Ferrit-Kerns hineinragt, wobei die Ausnehmung wenigstens 50 % breiter ist als der kurze Abschnitt (3a).
Das System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine erste Ausführungsform des Systems,
2 zeigt eine erste mögliche axiale Verschiebung der Flanschscheibe,
3 zeigt eine zweite mögliche axiale Verschiebung der Flanschscheibe,
4 zeigt eine erste mögliche radiale Verschiebung der Flanschscheibe,
5 zeigt eine zweite mögliche radiale Verschiebung der Flanschscheibe,
6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Systems,
7 zeigt eine erste mögliche axiale Verschiebung der Flanschscheibe,
8 zeigt eine zweite mögliche axiale Verschiebung der Flanschscheibe,
9 zeigt eine dritte Ausführungsform des Systems und die Flanschscheibe in einer ersten axial und radial verschobenen Position,
10 zeigt die dritte Ausführungsform des Systems und die Flanschscheibe in einer zweiten axial und radial verschobenen und
11 zeigt eine perspektivische Ansicht des Systems.

Die 1 zeigt in Verbindung mit 11 eine erste Ausführungsform des Systems. Eine Flanschscheibe 1 aus Stahl weist eine äußere und eine innere Stirnfläche auf, wobei die Flanschscheibe 1 eine der beiden Flanschscheiben eines typischen, weit verbreiteten Drehmomentmessflansches ist, der z. B. in einen Motorenprüfstand zur Messung des Antriebsdrehmoments eines Elektromotors eingebaut sein kann. Ein scheibenförmiger Ring 2 hat eine Innenseite und eine Außenseite, wobei die Außenseite des scheibenförmigen Rings 2 in einer Ebene mit der inneren Stirnfläche der Flanschscheibe 1 liegt. Bei dieser Ausführungsform ist der Ring 2 integraler Bestandteil der Flanschscheibe 1, wobei diese Einheit einstückig durch Zerspanung, z.B. durch Drehen hergestellt wurde. Eine ringförmige Kunststofffüllung 6 ist auf der Umfangsfläche der Flanschscheibe 1 befestigt und hat eine seitliche Außenfläche, die in einer Ebene zur äußeren Stirnfläche der Flanschscheibe 1 liegt. Eine aus umlaufenden Drahtwindungen bestehende Empfangsspule 7 ist in der ringförmigen Kunststofffüllung eingebettet. Ein speziell geformter U-förmiger Ferrit-Kern 3a, 3b, 3c hat einen kurzen Abschnitt 3a und einen langen Abschnitt 3b, die über einen Abschnitt 3c miteinander verbunden sind. Der kurze Abschnitt 3a ist mit seiner Stirnfläche auf die Kunststofffüllung 6 gerichtet. Der lange Abschnitt 3c, der parallel zum kurzen Abschnitt 3a ausgerichtet ist, erstreckt sich parallel entlang der Außenfläche der ringförmigen Kunststofffüllung 6. Der Abstand a der Stirnseite des langen Abschnitts vom Mittelpunkt der Flanschscheibe ist kleiner als der Abstand b der Empfangsspule vom Mittelpunkt der Flanschscheibe. In der Kunststofffüllung ist ein MU-Metall-Ring zur Konzentration und Führung des magnetischen Energieflusses eingebettet und so angeordnet, dass die Streuung der Magnetfeldlinien gering und die Übertragung der Energie in die Empfangsspule maximal ist. Dadurch verringert sich auch der Einfluss der äußeren elektromagnetischen Störfelder. Weiterhin ist in der Kunststofffüllung 6 eine Ausnehmung 9 vorgesehen, in die der kurze Abschnitt 3a hineinragt. Beim Anlegen einer Spannung an ein mit dem Ferrit-Kern in induktiver Wirkverbindung stehendes Induktionsspulensystem 4 wird ein magnetischer Energiefluss 5 zwischen der Stirnseite des kurzen Abschnitts und der Stirnseite des langen Abschnitts des Ferrit-Kerns ausgebildet. Dieser Energiefluss 5 ist durch die magnetischen Feldlinien symbolisch dargestellt. Durch diese Anordnung wird eine gute Abschirmung gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen erzielt, die durch die Blitz-Pfeile symbolisch dargestellt sind. Die beiden Doppelpfeile symbolisieren mögliche Bewegungen der Flanschscheibe 1 in diesen Richtungen. Dabei stellt sich heraus, dass diese Bewegungen keine wesentlichen Änderungen bei der Energieübertragung verursachen, auch dann nicht, wenn die in 2 bis 5 dargestellten Positionen erreicht werden.
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass die Anordnung gemäß 6 auch bei in den 7 und 8 dargestellten Positionen keine wesentlichen Änderungen bei der Energieübertragung verursacht.
Bei der Anordnung gemäß 9 wurde auf die ringförmige Ausnehmung in der Kunststofffüllung 6 verzichtet. Es wurde festgestellt, dass mit dieser Anordnung eine besonders große axiale Verschiebung der Flanschscheibe 1 möglich ist, allerdings müssen bei der radialen Verschiebung etwas engere Toleranzen eingehalten werden. Die gute Abschirmung gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern bleibt erhalten.

Claims

System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie, wobei das System aufweist: - eine Flanschscheibe (1) mit einer äußeren und einer inneren Stirnfläche, wobei die Flanschscheibe (1) eine der beiden Flanschscheiben eines Drehmomentmessflansches ist und aus Stahl, Titan oder Aluminium oder aus einem anderen Material oder einer Legierung mit vergleichbaren Eigenschaften besteht, - einen scheibenförmigen Ring (2) mit einer Innenseite und einer Außenseite, wobei die Außenseite des scheibenförmigen Rings (2) in einer Ebene mit der inneren Stirnfläche der Flanschscheibe (1) liegt, - eine ringförmige Kunststofffüllung (6), die auf der Umfangsfläche der Flanschscheibe (1) befestigt ist und eine Außenfläche aufweist, die in der gleichen Ebene zur äußeren Stirnfläche der Flanschscheibe (1) liegt, - eine Empfangsspule (7), die in der ringförmigen Kunststofffüllung (6) eingebettet ist, - einen U-förmigen Ferrit-Kern (3a, 3b, 3c) mit -- einem kurzen Abschnitt (3a), dessen Stirnfläche auf die Kunststofffüllung (6) gerichtet ist, -- einem langen Abschnitt (3b), der parallel zum kurzen Abschnitt (3a) ausgerichtet ist und sich parallel entlang der Außenfläche der ringförmigen Kunststofffüllung (6) erstreckt, wobei die Abschnitte (3a und 3b) über einen Abschnitt (3c) miteinander verbunden sind, - ein Induktionsspulensystem (4), das mit dem Ferrit-Kern (3a, 3b, 3c) in induktiver Wirkverbindung steht und so zur Flanschscheibe (1) angeordnet ist, dass beim Anlegen einer Spannung an das Induktionsspulensystem (4) ein magnetischer Energiefluss zwischen den Stirnseiten der beiden Abschnitte (3a, 3c) ausgebildet wird, und - eine aus umlaufenden Drahtwindungen bestehende Empfangsspule (7), wobei der Abstand (a) der Stirnseite des langen Abschnitts (3c) des Ferritkerns vom Mittelpunkt der Flanschscheibe (1) kleiner ist als der Abstand (b) der Empfangsspule (7) vom Mittelpunkt der Flanschscheibe (1).
System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei der Ring (2) integraler Bestandteil der Flanschscheibe (1) ist und diese Einheit einstückig gefertigt ist.
System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei in der Kunststofffüllung (6) ein MU-Metall-Ring (8) zur Konzentration und Führung des magnetischen Energieflusses eingebettet und so angeordnet ist, dass die Streuung der Magnetfeldlinien gering und die Übertragung der Energie in die Empfangsspule (7) maximal ist.
System für drahtloses Versorgen einer rotierenden Vorrichtung mit elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei in der Kunststofffüllung (6) eine ringförmige Ausnehmung (9) vorgesehen ist, in die der kurze Abschnitt (3a) des Ferrit-Kerns hineinragt, und die Ausnehmung (9) wenigstens 50 % breiter ist als der kurze Abschnitt (3a).