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