CN104221299A - 具有电感式的能量传输的模块化数据*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过电感耦合为终端设备供电和/或提供数据的装置，该装置包含长形的支承装置(1)和多个彼此相邻设置的发送线圈(20)，这些发送线圈产生沿着支承装置(1)的磁场线。构造得窄的终端设备(31)具有平面接收线圈(30)，这些平面接收线圈的平面垂直于支承装置(1)的纵向。

Description

具有电感式的能量传输的模块化数据***
技术领域
本发明涉及一种通过电感耦合为终端设备供电和/或提供数据的装置。
背景技术
电感耦合现象实现了发射设备和接收设备之间的无接触的能量传递，通过初级线圈和次级线圈来补充变压器。这种***例如在WO98/15069A1、EP1 885 085 A1、DE 10 2007 060 811 A1和DE 10 2007061 610 B4中已知。在设备的耦合过程中形成一个闭合的磁芯或者在磁芯中只有少量气隙，由此实现无接触的高效率的能量传递。然而这以初级线圈相对于次级线圈的精准的空间结构为前提，因此初级发射设备相对于次级接收设备的空间位置的自由度受到严格的限定。
为了避免该空间位置的限定，在US 7 262 700 B2和US2010/01328044A1中提出，在发送设备的桌面上安置一个平面线圈作为初级线圈，该初级线圈与接收设备的次级平面线圈共同作用从而实现电流供应。具有次级线圈的接收设备是可以移动的，并且能够在发送设备的桌面上的任何位置对接收设备供电，其中通过发送装置探测出接收装置位于何处，然后只运行该处的初级线圈。初级线圈和次级线圈之间的有效磁场线垂直于桌面。
由EP 2 067 148 B1已知一个具有轨道形式的装载托架的、用于向多个电子设备传递电磁能的发送设备，其中沿着发送设备的轨道设置有一个多次重叠的平面的初级线圈，该平面的初级线圈借助传感器来监测接收设备的存在并且有选择地激活相应的初级平面线圈。初级线圈和次级线圈之间的有效磁场线垂直于轨道表面。
US2003/0210106A1公开了一个发送设备的平台状的初级侧和接收设备的次级侧之间的电感耦合***。初级侧具有平面线圈，其中多个线匝螺旋形或者呈矩形地彼此相套，从而在桌面上实现与接收设备的电感耦合，其中能够自由选择接收设备在桌面的激活区域内的位置和方向。在这个激活区域内，磁场线大体上平行于桌面。次级侧具有围绕着平板形式的或者圆柱形式的芯的线圈。
由WO2010/125048A1已知用于无接触的为总线用户模块供电和提供数据的***，该***在帽状的支承轨道中具有供电轨道，该供电轨道具有能量传输接口和数据传输接口并且总线用户模块分别具有相应的能量传输接口和相应的数据传输接口。接口基于螺旋形的平面线圈工作，螺旋形的平面线圈的平面彼此平行，因此场力线垂直于支承轨道的纵向延伸。
US2002/0021226A1公开了一种具有监控装置、支架和用于自身的监控装置的电子设备以及包含了这些部分的电子装置。设置一个具有支承轨道的开关装置壳体用来容纳该电子装置，该电子装置具有接收线圈。在第一种构造方式中，在开关装置壳体的前侧设置发送线圈，在开关装置壳体中有两条具有插在上面的装置的轨道延伸，在第二种构造方式中，发送线圈平行于两个轨道，电子装置排成行位于该轨道上，在第三种构造方式中具有帽状轨道，分别有一个压成片的线圈在支承轨道中延伸，该线圈为插在支承轨道上的成列的电子装置供电。不可能将单个的发送线圈分配给单个的接收线圈。
电子装置通常放置在开关柜中并且通常沿着轨道插上。一般在供电单元和用电设备或者终端设备之间需要一个电隔离装置。这种用电设备或者终端设备虽然以其插座匹配于支承轨道，但是在轨道纵向的尺寸上却大为不同。对于窄的设备来说，对应支承轨道的面非常小，因此供电单元和用电设备或者终端设备之间的电感耦合就会有问题。
发明内容
本发明的目的在于，即使是窄的用电设备或者终端设备在支承装置上成列排放，也能实现无接触地为这些窄的用电设备或者终端设备供电和/或提供数据。
为实现该目的，根据本发明的用于为终端设备供电和/或提供数据的装置具有纵向延伸的支承装置，该纵向延伸的支承装置实现了终端设备在一列上彼此相邻的固定。支承装置具有一些彼此相邻设置的发送线圈，这些发送线圈在支承装置的纵向上的尺寸与设置在支承装置纵向上的最窄的终端设备的尺寸一致。将该尺寸称为宽度并且与构造地窄的终端设备的宽度处于同一数量级。较宽一些的终端设备可以沿两个或者更多的发送线圈的宽度延伸。发送线圈形成用于产生具有平行于支承装置的纵向的可利用部分的磁场线并且是单独可控的。
只要需要通过发送线圈为终端设备无接触地供电，这些终端设备分别具有至少一个接收线圈，这个接收线圈切割平行于支承装置延伸的磁场线的可利用部分并且使之被终端设备利用。
至少一个终端设备的接收线圈撑开一个垂直于发送线圈的场力线的可利用部分的平面。可以将这种接收线圈描述为平面线圈，该平面线圈的平面垂直于支承装置的延伸方向。由此使接收线圈特别狭窄地形成，并且即便终端设备构建得特别狭窄，也能将接收线圈插在每一个终端设备中。
如果需要将终端设备中的供电和数据提供分开或者需要对多个彼此电隔离的设备部分进行供电，还可以将两个或者多个平面接收线圈插在一个终端设备中。
对于构建得很窄的终端设备可以使用相应的单个发送线圈，而对于较宽的终端设备可以将单个发送线圈连接成发送线圈组，从而如同实现了较长的线圈。较宽的终端设备可以设置平面的接收线圈，但是该线圈不一定要用于切割交变磁场的可利用部分。
为了产生具有平行于支承装置的纵向的实际可利用部分的磁场线，设置螺旋形或者蜗形的线匝来构成具有圆柱形轮廓并且线圈轴平行于支承装置的纵向的线圈。磁场线的实际可利用部分在线圈轮廓之外远离支承装置的一侧上延伸。在从圆柱形的线圈轮廓变成方形的或者椭圆形的构造的时候也会出现类似的场线形状。
由至少一个接收线圈切割磁场线的平行于支承装置的实际可利用部分，该接收线圈的线匝呈螺旋形地绕开口延伸，线匝的平面可以通过轴来描述，该轴平行于支承装置的纵向延伸。
为了使磁场线成束可以使用一个由铁磁或者亚铁磁材料制成的线圈芯，该线圈芯将发送线圈的场力线引到接收线圈。如果需要在支承装置上相对自由并且灵活地选择终端设备的位置，则相应设置较宽的芯缝，或者完全不使用线圈芯，由此可以没有限制地沿着支承装置的任意位置定位终端设备。相对于干扰的金属体可以借助铁磁或者亚铁磁材料屏蔽有芯或者无芯的线圈。
附图说明
接下来借助附图说明本发明的一个实施例。其中：
图1示出了供电设备的纵剖图；
图2以立体图示出了细节；
图3示出了图2的线圈的纵剖图；
图4示出了共振的电感能量传输***的示意图。
具体实施方式
能量提供设备的最主要部分为支承装置1、彼此相邻设置的发送线圈20的层2以及彼此相邻设置的终端设备31、32、33、34的层3。支承装置1包含轨道10，终端设备31至34彼此相邻成列地、并且之间具有空隙35地夹在该轨道上。终端设备沿着轨道的位置是自由且灵活的并且没有受到边框的限制。
发送线圈20形成为具有圆柱形轮廓和轴的螺旋形或者蜗形，该轴平行于支承装置1的纵向延伸。多角的或者椭圆形的螺旋也是非常适用的。所有这种类型的线圈形状都标记为螺旋线圈。在这里示出的实施例中设置了六个发送线圈20，可以单独地接通和断开这六个发送线圈。这六个发送线圈的供电装置安置在支承装置1上或者通过支承装置传送，此处没有详细示出。当发送线圈20用于数据信号传输时，设置相应的数据线路。发送线圈20可以单独地开关意味着，这些发送线圈也可以组合成组，如在终端设备32中所示。每个单独的发送线圈可以对应一个自己的电子件用来调节各个单独线圈的功率输出的参数，包括电流相位、电流幅度、电流频率。电子件也可以包括一个传感器用来监测与相应的接收线圈的耦合效应，从而确定临近哪一个终端设备或者是否可以通过相关的发送线圈完全控制一个终端设备(确定在终端设备的列中的空隙)。
发送线圈是无芯的，也可以存在一个在其中一个终端设备的位置具有气隙的非闭合的芯。然而有利的是设置一个铁素体结构21在支承装置1的一侧，从而为发送线圈阻挡可能由支承装置的侧面导致的干扰作用。此外将可能是金属的支承装置中的涡流损失降到最低。
至少有几个终端设备容纳有平面线圈30，这些平面线圈作为接收线圈和最相邻的发送线圈20共同作用。平面接收线圈30的线匝呈平面螺旋形，平面螺旋形也可以理解为盘绕成、压成或者精炼成多角的形状，如图2所示。接收线圈30包围出一个中间开口并且确定出一个平面，该平面的法线平行于或者近似平行于支承装置1的纵向延伸。因此图1中场力线的水平延伸部分H1穿过接收线圈30并且感应出电压或者电流，可将该电流应用于相应的终端设备的供电。以同样的方式可以将这样的电流表现为数据信号。相反的信息流也是可能的：将接收线圈30当作发送线圈，从终端设备传输数据到调整为接收线圈的发送线圈。这样也可以作为所谓的“负载调制”，其中接收线圈为变化的负载，而在发送线圈处可以监测到这种变化的负载。
三个单独的发送线圈20通过共同激活连成一个可能较大的线圈用于终端设备32，从而为终端设备32提供一个整体的磁场。这可以例如用于较大的电流接收或者为构造宽度超过较窄的终端设备31、32的边框的设备供电。
在空隙35处的发送线圈为无电流的，因为此处没有终端设备。然而也可以设置该位置没有发送线圈，例如在终端设备34处，该终端设备没有与***相连或者此处为预留空间。***在这里没有激活。通过在支承轨道中嵌入的桥接器可以沿着支承装置转送例如电压或者数据信息。
图2示意性示出了怎样能将具有初级线圈P1和次级线圈S1的设备构造用于电感式的能量传输。示意性地画出了帽形的轨道10作为支承装置，终端设备能够在一列中彼此相邻地夹在该轨道上。终端设备的未示出的外壳在终端设备的固定末端形成为马镫形并且包围住发送线圈20，从而将接收线圈30保持在离对应的发送线圈20尽可能近的地方。为此外壳具有夹子(未示出)。终端设备的外壳分别容纳至少一个接收线圈30。在帽形的轨道10的空腔中设置用于屏蔽的铁素体结构21。在铁素体结构21上分别固定发送线圈20，该发送线圈产生磁场线H1、H2、H3、H4(图3)。与支承装置平行的磁场线H1使得能量传入接收线圈30。能量提供给电子件51，该电子件可以插在电路板50上。
由图2的示意性示图中可以清楚地看出，终端设备可以沿着(出于图示原因缩短地示出的)轨道10固定夹在不同的位置。由此终端设备可以沿轨道10定位在任意位置。
然而接收线圈的任意定位性也具备缺点，即发送线圈到接收线圈的耦合较弱。为了实现较好的能量传输而利用发送线圈和接收线圈之间的共振作用。将根据图4对此进行阐述。发送线圈20和两个接收线圈30a、30b处于电感耦合而没有使用磁芯，通过场力线H1表示。发送线圈20具有比接收线圈30a、30b长的纵向长度，接收线圈形成为平面线圈，因此可以沿着长形的发送线圈20设置若干个这样的平面线圈。通过交变的输入电压22为发送线圈20供电。接收线圈30a、30b分别位于一个分别具有一个负载41、42的单独的模块中，这两个负载吸收由发送线圈20给出的能量。这两个负载典型地分别由整流电路、滤波电容和连接在这两个元件上的电路构成。
如果包括各个线圈的电路在输入电压的适当频率时发生共振，发送线圈20和接收线圈30a、30b之间的能量传输是特别有效率的。每一个具有发送线圈20的发送线路和每一个具有接收线圈30a、30b的接收线路分别达到共振频率，该共振频率由各个线圈的电感率和电容43、44、45共同决定。线圈绕组之间的电容耦合作用也属于电容。为了彼此均衡共振，各个电路还具有离散的电容器，这些电容器与各个线圈串联或者并联。为了匹配共振也可以将串联和并联组合。通过将共振频率平衡到交变的输入电压22的工作频率上，***能够以提高的效率工作。除了通过场力线H1示出的可用电感，还有通过场力线H2、H3、H4表示的散射电感。可以这样解释高的效率，即在一定程度上线圈20、30a、30b的散射场的能量在线圈电感和各个电容43、44、45之间摆动并且理想情况下不会被消耗。从输入电压上看，消耗元件41和42近似为纯欧姆元件。
为了能够真正地利用共振作用，每个发送线圈20设置一个调节设备(未示出)，该调节设备根据与耦合的接收线圈30的共振调节电流相位、电流幅度和频率。

Claims (10)

1.一种通过电感耦合为终端设备供电和/或提供数据的装置，所述装置包含：
-多个终端设备(31、32、33)，所述多个终端设备能够具有不同的宽度；
-一个纵向延伸的支承装置(1)，通过所述支承装置实现了对多个终端设备(31、32、33)在一列中相邻地、并且之间具有空隙(35)的支承；
-多个沿支承装置(1)彼此相邻地设置的发送线圈(20)，其中至少一部分所述发送线圈在支承装置的纵向上具有和窄的终端设备(31、33)的宽度在同一数量级的尺寸；
-为了产生具有平行于支承装置的纵向的可利用部分的磁场线形成多个发送线圈(20)，并且所述多个发送线圈是单独的或者成组的可控的；
-至少一部分终端设备(31、32、33)分别具有至少一个接收线圈(30)，所述接收线圈撑开一个垂直于发送线圈的磁场线的可利用部分的面；
-所述终端设备(31、32、33)能够以其接收线圈(30)这样几何对应单独的或者成组的可控的发送线圈(20)，只在特定的发送线圈和接收线圈之间利用电磁耦合来供电和/或提供数据；
-其中通过使单独的发送线圈或者发送线圈组接通电流从而无接触地为终端设备中的一个或者多个供电和/或提供数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(20)的线匝是螺旋形的并且每一个螺旋形的发送线圈具有平行于所述支承装置(1)的纵向的线圈轴。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，至少一个所述接收线圈(30)的线匝是螺旋形的并且包围一个开口，所述开口具有与所述支承装置(1)的纵向平行的轴。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的装置，其特征在于，至少一部分发送线圈(20)分别设置有一个铁素体结构(21)，所述铁素体结构为了实现控制和屏蔽场力线在所述发送线圈(20)的***和所述支承装置(1)的相临部分之间延伸。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的装置，其特征在于，至少一部分所述接收线圈(30)具有在纵向延伸方向上测得的宽度，所述宽度只相当于每个发送线圈(20)的宽度的一小部分，从而实现窄的终端设备(31)沿着所述支承装置(1)的相对自由的放置。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的装置，其特征在于，所述支承装置(1)具有支承轨道(10)，所述支承轨道还是为所述发送线圈(20)输送电流和输送数据信号的载体。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(20)沿所述支承装置(1)的安置具有空隙，从而接收不激活的设备(34)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述空隙沿所述支承装置(1)通过设置桥接器而跨接，从而沿着所述支承装置转送电源电压和/或数据信号。
9.根据权利要求1至8的任意一项所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(20)和对应的接收线圈(30)这样铺设或者布线，即在适宜的激励频率下在耦合的线圈之间产生共振。
10.根据权利要求1至9的任意一项所述的装置，其特征在于，所述发送线圈与传感器相连，所述传感器监测耦合作用，从而在所述发送线圈(20)和接收线圈(30)之间没有耦合或者耦合很弱的时候保持相关的发送线圈不工作。
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