電感的能量供應裝置制造方法

電感的能量供應裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于對電子模塊供電和/或提供數據的裝置，該裝置包括具有線圈軸的發送線圈(20)和至少兩個并排設置的具有接收線圈(31、32)的能量接收部件(34、35)，這些接收線圈的線圈軸彼此平行或者平行于發送線圈軸延伸。線圈(20、31、32)分別裝入多個諧振電路中。能量接收部件(34、35)為電子部件(41、42)供電并且連同電子部件一起通過絕緣的隔離區域(33)相互電隔離，該隔離區域通過數據信號耦合路徑(46)跨接。
【專利說明】電感的能量供應裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于對一個或多個電子模塊供電和/或提供數據的裝置。

【背景技術】
[0002]通常使用具有初級線圈和次級線圈的變壓器或能量輸送器用于電隔離地供電，這些線圈形成隔離間隔。EP I 885 085 Al公開了相互分離的輸電端口和數據傳輸端口，這些端口用于非接觸地耦合總線用戶。對于每個總線用戶不會設置兩個次級繞組和兩個處理單
J Li ο
[0003]還已知多個這樣的端口，通過這些端口除了可以傳遞能量以外，還可以雙向地傳遞信號或數據。在WO 98/15069 Al中利用裝配有用于傳輸能量的初級線圈和用于傳輸數據的初級線圈的鐵磁芯柱和裝配有用于接收能量的次級線圈和用于接收數據的次級線圈的鐵磁芯柱的共同作用。在初級側和次級側之間有具有良好電絕緣的電位隔離，而能量側和數據側之間沒有這種具有良好電絕緣的電位隔離。由于鐵磁芯柱因而在初級側和次級側之間不可能有相對自由的定位可能性。
[0004]WO 2010/125048 Al公開了一種用于從安裝基座到總線用戶模塊無接觸地提供數據和能量的系統，其中設置了具有能量傳輸端口和數據傳輸端口的供給軌道并且總線用戶模塊分別具有相應的能量傳輸端口和相應的數據傳輸端口。在能量傳輸和數據傳輸以電感的方式進行的情況下該端口包括一個具有垂直于供給軌道的線圈軸的初級線圈并且每個總線用戶模塊分別包括一個具有同樣垂直于供給軌道的線圈軸的次級線圈。
[0005]在WO 2008/118178 Al中借助共振的磁場經過一定距離進行無線地能量傳輸。由此在供電單元和耗能單元之間形成電位隔離，但是沒有三個電位組之間的隔離。
[0006]EP 2 067 148 BI公開了一種用于多個電子設備的充電設備，其中初級繞組在一個接觸面上包括多個重合的線圈元件并且次級繞組在該接觸面上定位時接收電磁能。初級繞組設置為振蕩回路的一部分并且包含一個電容器用于使振蕩回路的諧振頻率和工作頻率相配合。待充電的電子設備在相鄰電子設備之間沒有信號-數據耦合路徑。


【發明內容】

[0007]本發明的目的在于，提供一種用于無接觸地為電子模塊供電和/或提供數據的裝置，其中，電子模塊應該滿足提高的安全性要求。
[0008]根據本發明，借助還能夠運行數據信號的能量供應部件供給兩個能量接收部件，這兩個能量接收部件相互之間并且和能量供應部件之間電隔離。電能接收部件分別配置有具有各自的信號接線柱的電子部件，因此構成的從所有接口接出的電子模塊由于火花放電滿足了提高的安全性要求。
[0009]在一個優選的實施方式中設置有用于產生交變磁場的發送線圈、和發送線圈電感耦合的第一接收線圈、和發送線圈電感耦合的至少一個第二接收線圈、用于和發送線圈構成發送諧振電路的發送電容、用于和第一接收線圈構成第一接收諧振電路的第一接收電容、用于和第二接收線圈構成第二接收諧振電路的第二接收電容、作為負載連接在第一接收線圈上的第一電子部件和作為負載連接在第二接收線圈上的第二電子部件，其中具有第一電子部件的第一接收諧振電路和具有第二電子部件的第二接收諧振電路通過絕緣的隔離區域根據電位相互分開地設置。具有第一電子部件的第一諧振電路和具有第二電子部件的至少第二個諧振電路構成在第一和至少第二個接收諧振電路之間設有絕緣的隔離區域的電子模塊，該隔離區域能夠通過數據信號耦合路徑跨接。借助多個發送線圈并排地為多個電子模塊提供能量。
[0010]發送線圈和對應的電子模塊之間以及電子模塊內部的電隔離地鑄造決定了絕緣等級，為了達到該絕緣等級傳輸裝置必須設置在相互分離的電位組之間。在根據本發明的裝置的制造方案中可以在發送線圈和接收線圈之間以及需要相互電隔離的接收線圈之間設置相對大的間距，由此能夠實現高的絕緣等級。該方案還使得發送模塊的供電端子設置在裝置的遠離電子模塊的信號接口的側邊并且在信號接口中輸入端子相對于輸出端子安裝在與模塊相對的一側上。
[0011]在本發明的一個優選的實施例中，具有第一電子部件的第一接收諧振電路和具有第二電子部件的至少第二個接收諧振電路安插在共同的電路板上。這實現了相對于發送線圈狹窄的設備構造，該發送線圈能夠沿著長形的夾持裝置、例如支承軌道延伸。以這種方式能夠并排地定位多個電子模塊，從而用夾持裝置進行固定。
[0012]如果第一電子部件具有信號輸入接口并且第二電子部件具有信號輸出接口，那么第一和第二電子部件安插在共同的電路板上并且第一電子部件和第二電子部件通過數據信號耦合路徑連接是有利的。在這種實施方式中，信號接口位于與電子部件相對的側邊上，即，具有最大可能的絕緣間距。
[0013]根據本發明的的一個優選的實施方式，發送線圈具有立體螺旋形的線匝以及圓柱形的、用于產生軸平行的場力線的輪廓，接收線圈用其接收平面垂直于這些場力線設置。眾所周知，具有立體螺旋形線匝的線圈產生磁場線，該磁場線在線圈內部平行于線圈軸延伸，在線圈外部彎曲然后返回然后平行或近似平行于線圈軸延伸，從而再次彎入線圈內部。接收線圈撐開平面，軸平行的場力線垂直或近似垂直地處于該平面上，從而在發送線圈和接收線圈之間產生有效耦合。如果接收線圈安插在電路板上，那么接收線圈的線匝能夠呈平面螺旋地延伸是適宜的。這種線圈能夠經濟地制造并且具有大的用于場力線的俘獲截面。
[0014]在工業設備中通常需要大量的電子模塊，這些電子模塊經常沿夾持裝置固定在開關柜中。對于這種應用情況，在本發明中沿夾持裝置設有多個發送線圈，并且多個配有至少兩個接收線圈的電子模塊能夠沿夾持裝置相對自由地定位在一排并且固定在夾持裝置上。以這種方式能夠以電源供應多個分別具有不同寬向尺寸的電子模塊，其中通過電隔離供電裝置和信號處理裝置以及數據處理裝置實現了高度的絕緣并且信號處理或數據處理可以額外地實現高的絕緣等級。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]根據【專利附圖】

【附圖說明】本發明的兩個實施例。其中
[0016]圖1示出了具有能量供應裝置和信號處理裝置或數據處理裝置的電子模塊的示意圖，以及
[0017]圖2示出了電子模塊耦合到夾持裝置上。

【具體實施方式】
[0018]在長形的模塊夾持裝置I的支承軌道10上固定有發送線圈20，通過交變的輸入電壓22為該發送線圈供電并且該發送線圈因此作為能量供應部件2進行工作。在距離發送線圈20—定距離處借助殼體4(圖2)固定電路板30，該殼體支撐在軌道10上。作為導體電路，兩個平面的接收線圈31、32以螺旋形狀安裝在電路板30上，這兩個接收線圈通過絕緣的隔離區域33相互分開。第一接收線圈31和第一電子部件41相連并且第二接收線圈32和第二電子部件42相連。部件31、41、54構成電子模塊3的第一能量接收件34并且部件32、42、55構成第二能量接收件35。
[0019]第一電子部件41可以是電子模塊3的信號輸入電子部件或者數據輸入電子部件并且第二電子部件42可以是電子模塊的信號輸出電子部件或者數據輸出電子部件。兩個電子部件41、42通過數據信號耦合路徑46相互連接，以在這些電子部件之間交換數據或信號。可以通過能夠表示為光信號路徑的耦合件構成耦合路徑46，然而也可以采用借助電容或電感的耦合件的傳輸方法。但是對此也可以替代性地采用線圈31和32之間的磁耦合進行信號傳輸或數據傳輸。
[0020]發送線圈20以立體螺旋形進行纏繞并且具有一個線圈軸，該線圈軸平行于支承軌道10的縱向。接收線圈31和32以平面螺旋形進行纏繞并且分別具有線圈軸，這兩個線圈軸彼此平行并且平行于發送線圈軸。
[0021]如果通過交變的電源電壓22激勵發送線圈20，那么出現由一些場力線50、51、52示出的交變磁場。通過場力線51表示的磁場部分貫穿平面的接收線圈31。相應地，通過場力線52表示的磁場部分貫穿平面的接收線圈32，而場力線50表示漏磁場。通過激勵發送線圈20，除了電感以外還在線圈線匝之間產生電容效應，也就是說，發送線圈20本身就已經構成具有一定自然諧振頻率的振蕩回路。可以借助一個或多個電容器將該自然諧振頻率調整到特定的值，該值例如能夠和輸入電壓的工作頻率相符。通過總電容53表示能夠振動的系統的電容效應。實際中通過串聯電容器構成電容。對此替代性地或額外地也可以使用并聯電容器。最后也可以這樣形成線圈的幾何形狀，即，輸入電壓22的工作頻率和發送線圈20的自然諧振頻率相符，由此不需要雜散的電容器，即總電容53僅由線圈線匝的寄生耦合電容組成。
[0022]如果發送線圈20受到激勵，那么由于電感耦合線圈31和32也受到激勵。在線圈中在單個線圈線匝之間有電容效應。為了在具有線圈20、31、32的振蕩回路之間調節共同的或幾乎共同的諧振頻率可以在單個線圈線匝之間有針對性地利用電容效應或者在這里也可以使用串聯或并聯或者結合了兩種連接方式的電容器，以設置合適的電容54、55，借助該電容可以在諧振時運行接收電路。
[0023]為了限制漏感的有害作用可以設置例如由鐵素體材料構成的屏蔽材料。這種屏蔽板21在發送線圈20和軌道10之間延伸。通過鐵素體材料還可以相對于鄰近線圈隔離接收線圈31、32。
[0024]可以這樣建立絕緣的隔離區域33，即在隔離區域有這樣的絕緣材料，該絕緣材料沒有設置導體電路或其他電子組件。電子部件41、42可以安裝在電路板30的不同側，信號接線柱43和44也是同樣。電子模塊3這樣固定在殼體4(圖2)中，信號接線柱43、44例如能夠接觸連接器。
[0025]殼體4適合以多個相同類型的殼體相互并排地固定在例如導軌10形式的夾持裝置I上并且沿著長形夾持裝置I相互并排地夾住多個電子模塊3。此外一些發送線圈20沿夾持裝置I延伸，這些發送線圈可以相互對齊并且電子模塊可以對準這些發送線圈。電子模塊3的數量不需要和發送線圈20的數量相一致。一方面電子模塊能夠特別狹長地構造，另一方面還能夠在電子模塊的行列中使用寬的電子模塊。總體上來說形成了由供電裝置和多個電子模塊構成的系統，在供電裝置中，在分開的電位組之間形成提高的絕緣。
[0026]圖2示出了用于對電子模塊3供電和提供數據的裝置的第二實施例。和實施例1相同的部件具有相同的附圖標記。此外設有設備殼體4，以保護電子模塊3的單個配件并且以規定的布置相對于夾持裝置I進行固定。
[0027]電子模塊3的能量供應部件2具有底部部件23，該底部部件局部地伸入殼體4中并且和長形的夾持裝置I能夠松開地連接。底部部件23包含發送線圈20，該發送線圈借助塑料殼與發送線圈附近的部件良好絕緣地受到固定。塑料殼通過卡合固定在支承軌道10上。發送線圈20包含鐵素體磁芯24，該鐵氧體磁芯聚束交變磁場并且指向線圈31和32。如在36和37所示出的一樣，線圈31和32可以包含鐵素體磁芯。鐵素體磁芯36、37的形狀不需要是棒狀的，也可以是向后彎曲的形狀，從而低地保持磁阻抗。
[0028]圖2示出了耦合路徑46作為光分離路徑。因此通過絕緣的隔離區域33傳遞兩個電子部件41和42之間的數據。也可以通過電感、電容、或電磁傳遞方法實現提高的安全性要求。在殼體4中設置有凹空部用于信號接口 43、44，這些凹空部相互之間保留有安全距離。
[0029]通過線圈系統20、31、32也可以傳遞調節能量信號的數據信號。在這里也可以遵循各種安全標準。
[0030]如下進行電子模塊3的運行:根據振蕩回路的諧振頻率選擇交變的電源電壓的工作頻率。交變的電源電壓22激勵電流通過發送線圈20，由此產生由場力線50、51、52示出的交變磁場。由于電感耦合所以在接收線圈31和32中分別產生交變電流，該交變電流在線圈共振時能夠以較高效率使負載運轉。實際上負載通常由整流器電路、濾波電容器和連接在其上的電子部件41、42構成。電子部件可以集成在電路板上或者安置在外部。因此電源的能量通過磁場到達各個電子部件41、42中，以在電子部件中作為電源供信號處理或數據處理使用。由場線50、51、52不出的磁場還包含通過振蕩電路的、由電容器53表不的電容在一定程度上收集并補償的能量部分。因此在理想情況下僅需要將如在電子元件41和42所獲得的這么多的電能輸送到系統中。從電源電壓22來看，由電子部件所構成的負載在理想的共振條件下看作是純的歐姆負載。
[0031]如在發送線圈中通過電容53幾乎均衡了電感一樣，在接收線圈31、32中通過電容54,55幾乎均衡了電感。這是諧振電路的有利作用。
[0032]所示的實施例可以在各個方向有所變化。兩個接收線圈可以安裝在電路板的不同側上，對此在這種情況下電路板可以用作隔離區域。
[0033]此外，交變的輸入電壓22能夠用于能量供給和數據信號輸入。對此，通過載波信號和數據信號作為調制信號傳遞能量。然后在接收線圈中將能量信號和數據信號分離。因此發送線圈分別和其中一個接收線圈構成數據信號耦合路徑。
[0034]例如借助所述的負載調制方法也可以實施從接收線圈到發送線圈的數據信號傳遞。在相關的電子部件中改變負載的類型和大小，這對發送線圈中的電流-電壓關系有反作用，由此可以探測到這種反作用作為發送端上的數據信號。在這種數據信號耦合路徑中可以使用輔助載波來更好地分離能量信號和數據信號。
[0035]也可以在接收線圈之間進行數據交換，因為這些接收線圈相互磁耦合。通過適當地加入額外的電容例如可以產生第二諧振頻率，該諧振頻率用于數據信號的載體。
[0036]替代兩個接收線圈，也可以使多個接收線圈圍繞發送線圈，以使多通道系統進行運轉。可以在兩個、三個或四個單獨的平面中設置模塊并對此相互電分離。各個平面的電子部件之間的數據信號耦合路徑能夠是光、磁或電容類型的。
【權利要求】
1.一種用于對電子模塊(3)供電和提供數據的裝置，所述裝置包括: -構造在長形的夾持裝置(I)中的能量供應部件(2)，所述能量供應部件具有用于產生交變磁場的發送線圈(20)， -具有第一接收線圈(31)以及具有連接在第一接收線圈(31)上的第一電子部件(41)的第一能量接收部件(34)，所述第一接收線圈和發送線圈(20)電感耦合，所述第一電子部件具有第一信號接線柱(43)， -具有第二接收線圈(32)以及具有連接在第二接收線圈(32)上的第二電子部件(42)的第二能量接收部件(35)，所述第二接收線圈和發送線圈(20)電感耦合，所述第二電子部件具有第二信號接線柱(44)， -其中具有第一電子部件(41)的第一能量接收部件(34)和具有第二電子部件(42)的第二能量接收部件(35)安插在共同的電路板(30)上以及構成電子模塊(3)的安裝在設備殼體(4)中的部分，所述設備殼體能夠固定在夾持裝置(I)上，并且 -其中具有第一電子部件(41)的第一能量接收部件(34)和具有第二電子部件(42)的第二能量接收部件通過置于共同的電路板上的、絕緣的隔離區域(33)相互電隔離，所述隔離區域通過數據信號耦合路徑跨接，以直接在第一電子部件(41)和第二電子部件(42)之間交換信號和數據。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，線圈系統(20、31、32)具有至少一個電容元件(53、54、55)用于構成發送系統和接收系統的各自的至少一個諧振電路。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，其中設有發送電容(53)用于構成具有發送線圈(20)的諧振電路。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，設有第一接收電容(54)用于構成第一接收諧振電路。
5.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，設有第二接收電容(55)用于構成第二接收諧振電路。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的裝置，其特征在于，發送線圈(20)固定在夾持裝置(I)的支承軌道(10)上，并且借助殼體(4)固定電路板(30)，所述殼體支撐在支承軌道(10)上。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的裝置，其特征在于，第一電子部件(41)的信號接線柱(43)是信號輸入接口并且第二電子部件(42)的信號接線柱(44)是信號輸出接□。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的裝置，其特征在于，多個第一和第二接收線圈(31、32)設置在多個電路板(30)平面中。
9.根據權利要求1至8中任意一項所述的裝置，其特征在于，接收線圈(31、32)以平面螺旋形進行纏繞。
10.根據權利要求1至9中任意一項所述的裝置，其特征在于，數據信號耦合路徑(46)是光號路徑。
11.根據權利要求1至9中任意一項所述的裝置，其特征在于，數據信號耦合路徑(46)由線圈之間的磁耦合構成。
12.根據權利要求1至7中任意一項所述的裝置，其特征在于，發送線圈(20)具有立體螺旋形的線匝以及圓柱形的、用于產生具有軸平行于夾持裝置(I)的縱向的場力線的磁場部分的輪廓，接收線圈(31、32)以其接收平面垂直于這些場力線設置。
13.根據權利要求1至12中任意一項所述的裝置，其特征在于，沿長形的夾持裝置(I)設置有多個發送線圈(20)，并且多個電子模塊(3)能夠沿夾持裝置(I)并排地定位并且能夠固定在夾持裝置(I)上。
14.根據權利要求1至13中任意一項所述的裝置，其特征在于，電子模塊(3)的能量供應部件(2)具有底部部件(23)，所述底部部件伸入電子模塊(3)的殼體(4)中并且和長形的夾持裝置(I)能夠松開地連接以及所述底部部件在相對于電子模塊(3)具有良好電絕緣的情況下包含發送線圈(20)，其中，發送線圈(20)包含鐵素體磁芯(24)，所述鐵素體磁芯和接收線圈(31、32)的鐵素體磁芯(36、37)相耦合地設置。
15.根據權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述底部部件(23)具有塑料殼體并且設有用于卡合在夾持裝置(I)的支承軌道(10)上的多個卡合裝置以及相對于模塊殼體(4)具有規定的結構。
【文檔編號】H04L12/40GK104205656SQ201380005289
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月11日 優先權日:2012年1月12日
【發明者】彼得·肖爾茨 申請人:菲尼克斯電氣公司