CN112752671B - 用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的设备。该设备至少具有第二电导体，其具有与第一电导体的感应耦合，其中第一电导体将变流器与轨道车辆的电动机连接。此外，该设备具有借助运行电压运行的电路模块，其用于处理至少一个传感器的信号，其中，至少一个传感器用于采集车辆部件的数据和/或状态。在此，电路模块与第二电导体连接，并且第二电导体被配置为根据施加到第一电导体的交流电压借助感应在第二电导体中产生运行电压。

Description

用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的设备和方法

技术领域

本发明涉及向轨道车辆中的传感器装置供应电能。该传感器装置或相应的传感器尤其可以布置在轨道车辆的车辆部件的区域内。

背景技术

轨道车辆中或轨道车辆上、特别是电动机或传动机构上、尤其是轨道车辆的转向架中或转向架上的电子设备应当配备有可靠且充足的能量供应。电子设备可以具有用于采集数据、例如加速度、转速或温度的传感器。传感器还可用于采集磨损部件、例如电动机轴承和传动轴承的状态。

众所周知的、为了安装传感器而安装在电动机或传动机构上的所谓传感器箱通常包含有电池，该电池为传感器或传感器箱的其他部件供应电能。电池的容量不足以满足传感器的连续运行和长时间不间断的数据传输。此外，电池的寿命会由于环境条件、例如温度波动而明显缩短。因此，可能需要经常更换电池，但由于传感器箱的可接近性通常受到限制，应当尽可能避免这样做。

在DE 10 2009 043 225 A1中给出了对转向架或行走机构中的传感器进行不同的局部的能量供应。在此提出了，利用车轮轴承中的热量产生，或者借助感应线圈将通过轮组和轮组轴承形成的旋转的部件的动能转化为电能。还提出了，借助压电元件将发生的各种各样的相对运动或形变、特别是在轮组轴承和行走机构框架处发生的振荡和冲击用于产生电能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于传感器装置的能量供应，该能量供应不需要任何电池或长的电缆连接。

上述技术问题分别通过独立权利要求中的设备和方法的相应特征来解决。在从属权利要求中还给出了设计方案。

根据本发明，用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的设备至少具有第二电导体，该第二电导体具有与第一电导体的感应耦合，其中第一电导体将变流器与轨道车辆的电动机连接。此外，该设备具有借助运行电压运行的电路模块，其用于处理至少一个传感器的信号，其中至少一个传感器用于采集车辆部件的数据和/或状态。在此，电路模块与第二电导体连接，并且第二电导体被配置为根据施加到第一电导体的交流电压借助感应在第二电导体中产生运行电压。有利地，由于借助感应产生了电路模块所需的运行电压，因此不需要电池为电路模块供电。

在本发明的一种实施中，第一电导体被设计为电动机电缆的至少一部分，电动机电缆将变流器与电动机连接。这尤其具有如下优点，即也将电动机的交流电压用于电路模块的能量供应。

在本发明的另外的实施中，至少一个传感器是传感器装置的一部分，并且电路模块与传感器装置连接或者同样地与传感器装置的一部分连接。该实施特别是具有如下优点，即改进了传感器装置的能量供应，该传感器装置例如直接布置在电动机上或者与其连接的传动机构上。

在本发明的另外的实施中，传感器装置被配置为，用于采集作为车辆的部件的电动机(特别是被设计为驱动电动机的电动机)、传动机构、风扇电动机、泵电动机或压缩机电动机的数据，这些车辆部件特别地布置在轨道车辆的转向架中或转向架上。

在本发明的另外的实施中，该设备具有用于整流的部件，该用于整流的部件连接在第二电导体与电路模块之间。该实施尤其具有如下优点，即可以利用能量供应运行电路模块或者具有传统集成电路的传感器。

在本发明的另外的实施中，该设备具有用于存储能量的部件，该用于存储能量的部件与第二电导体和电路模块连接。该实施尤其具有如下优点，即，即使交流电压暂时中断仍能保证能量供应。在此，能量储存器可以具有比通常的电池小得多的容量，因为中断通常仅持续很短的时间。

在本发明的另外的实施中，第二电导体的至少一个部段被设计为线圈的绕组。该实施尤其具有高效的感应的优点。

在另外的实施中，线圈具有环形铁芯，其中铁芯同心地围绕第一电导体。在此，环形铁芯尤其可以具有可磁化的材料。该实施具有感应电压特别高的优点。

在另外的实施中，第一电导体被设计为电动机电缆的至少一部分，其中线圈围绕电动机电缆。

在另外的实施中，该设备还具有用于测量转速的部件，该用于测量转速的部件连接到第二电导体上，并且被设计为，根据在第一电导体中流动的运行电流的频率或根据施加到第一电导体上的交流电压来确定电动机的转速。该实施尤其具有如下优点，即可以在没有附加传感器的情况下确定电动机的转速。

在另外的实施中，该设备还具有用于分析电流特征的部件，该用于分析电流特征的部件与第二电导体连接，并且被设计为，对在第一电导体中流动的运行电流或施加到第一电导体的交流电压的频谱进行分析。该实施尤其具有如下优点，即可以在没有附加传感器的情况下对电流特征进行分析。

在用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的方法中，将交流电压施加到至少暂时有电流流过的第一电导体上，该第一电导体将变流器与轨道车辆的电动机连接。借助感应在第二电导体中产生另外的交流电压，第二电导体具有与第一电导体的感应耦合。另外的交流电压用于向电路模块供应能量，该电路模块用于处理至少一个传感器的信号，该至少一个传感器用于采集车辆部件的数据和/或状态。

附图说明

下面参照附图通过对实施例的详细描述进一步解释以上说明的特性、特征和优点以及实施其的方式。

图1以示意图示出了用于向传感器箱供应能量的设备。

图2以示意图示出了可以在设备中使用的线圈。

图3示出了用于供应能量的设备的框图。

图4示出了具有线圈的根据图3的框图。

图5示出了具有传感器装置的根据图4的框图。

图6示出了具有变流器和电动机的根据图3的框图。

图7示出了具有线圈的根据图6的框图。

图8示出了具有其他部件的用于供应能量的设备的框图。

图9示出了具有另外的部件布置的根据图8的框图。

图10示出了具有另外的部件选择的根据图8的框图。

图11示出了具有另外的部件选择和布置的根据图10的框图。

具体实施方式

图1示出了一种设备，其包括第一电导体1、第二电导体2、传感器箱3、第二电导体2与传感器箱3之间的连接线4、壳体5和车辆部件6。第一电导体1和第二电导体2彼此感应耦合。

第一电导体1尤其是电动机电缆的部段，电动机电缆例如具有导体11和护套12。这种电动机电缆例如用作车辆、特别是电驱动轨道车辆的牵引电动机电缆。在这种情况下，电动机电缆将用于交流电压的变流器与车辆的驱动电动机连接。然而，取而代之，电动机电缆还可以具有另外的功能。对于能量供应来说重要的是，在第一电导体1上施加有交流电压。

第二电导体2尤其具有如图1中示意性示出的线圈。在使用具有多个导电绕组的线圈的情况下，比使用线性电导体时感应出更高的交流电压。线圈的功能对应于变压器的次级线圈的功能，因此不需要进一步解释。

传感器箱3例如包含一个或多个传感器并且可能包含其他部件。电路模块例如同样布置在传感器箱3中，电路模块被设置为用于运行传感器以及用于采集、存储和/或处理传感器数据。电路模块例如是集成电路、特别是微处理器或微控制器。在第二电导体2与传感器箱3之间存在连接线4，以便将产生的电能和可能的信号传输到传感器箱3。

传感器箱3对于传感器的安装是合适的，但不是必须的。传感器也可以直接安装在车辆部件6上。电路模块例如也可以安装在壳体5中，可以将该壳体5设置为用于容纳第一电导体1和第二电导体2。在此仅示意性示出了车辆部件6，因为原则上可以将传感器安装到任意车辆部件上、特别是例如安装到轨道车辆的电动机、传动机构、车轮轴承或转向架上。

在第二电导体2中感应出交流电压实质上基于第一电导体1和第二电导体2的彼此平行的部段之间的感应耦合进行。因此合适的是，线圈缠绕为，使得绕组的部段平行于第一电导体1延伸。如果第一电导体1是以直线布置的电动机电缆或牵引电动机电缆的部段，因此可能合适的是，线圈的每个绕组基本上布置在第一电导体1在其中延伸的平面中的一个平面上，即布置在第一电导体1沿其支承线或轴线延伸的平面束的平面中的一个平面上。

图2示出了线圈的示例，如果第一电导体1以直线延伸，则该线圈特别适合作为第二电导体2。例如，导电绕组21安装在环形铁芯22上。这种线圈2被布置为，使得如图1中示意性示出的那样，铁芯22同心地围绕第一电导体1。在这种情况下，第一电导体1延伸穿过铁芯22的内部开口23。

如图2中所示，铁芯22例如具有环面形状或空心圆柱体形状。铁芯22例如具有可磁化的材料、例如铁，或者如果需要强感应耦合的话，铁芯具有铁化合物。替换地，铁芯22仅具有将绕组21机械稳定的功能就足够了；在这种情况下，铁芯22例如由塑料制成。

第二电导体2的其他形状也在本发明的范围内。特别地，第二电导体2仅具有与第一电导体1平行的部段可能就足够了；如果电路模块仅具有非常低的耗电量，或者如果不需要连续地运行电路模块和/或传感器，这种布置就足够了。

图3示出了用于供应能量的设备的框图，该设备具有第一电导体1和与其平行的第二电导体2，在它们之间存在感应耦合7。第二电导体2与用于整流的部件8连接，在该用于整流的部件中，感应出的交流电压例如借助二极管进行整流。将直流电压作为运行电压馈送给电路模块9。电路模块9尤其具有微处理器或微控制器。如果电路模块9具有集成电路，则用于整流的部件8可以集成到其中。如果电路模块9可以以交流电压运行，则可以去掉用于整流的部件8。

还可以在电路模块9中集成传感器。除了别的之外，可以将惯性传感器、温度传感器和湿度传感器设计为集成的传感器。惯性传感器例如可以被设计为硅中的微机电***或微机械组件，并且例如作为加速度传感器、转速传感器或振荡传感器或振动传感器进行使用。

图4示出了根据图3的用于供应能量的设备的框图，其中第二电导体2由线圈形成。在图4的图示中仅示意性地示出了线圈。其余部件相应于图3的图示的部件并且具有相同的附图标记。

图5示出了根据图4的用于供应能量的设备的框图，其中附加地将单独的传感器装置10与电路模块9连接。电路模块9例如与用于整流的部件8一起布置在电导体1、2的壳体5中(图1)，并且传感器装置10例如布置在传感器箱3中。取而代之，电路模块9和传感器装置10可以一起布置在传感器箱3中。用于整流的部件8可以单独进行布置或集成在电路模块9中。传感器装置10可以具有单个传感器，或者取而代之可以具有多于一个的传感器。其中可以存在不同类型的传感器。所描述的能量供应适合于传感器的不同的设计方案。

图6示出了根据图3的用于供应能量的设备的框图，该设备具有变流器和电动机。变流器14提供交流电压，该交流电压在第二电导体2中感应出另外的交流电压，该另外的交流电压被设置为用于向电路模块9供应能量。变流器14通过电动机电缆与电动机13连接。在这种情况下，第一电导体1由电动机电缆的部段形成。

如果使用交流电压来驱动电动机13，则电动机电缆可以是牵引电动机电缆。其余部件相应于图3的图示的部件并且具有相同的附图标记。

图7示出了根据图4的用于供应能量的设备的框图，该设备具有变流器和电动机。在此，第二电导体2由线圈形成。在图7的图示中仅示意性示出了线圈。其余部件相应于图6的图示的部件并且具有相同的附图标记。

图8示出了具有另外的部件的用于供应能量的设备的框图。在线圈2上连接有用于测量转速的部件15和/或用于分析电流特征的部件16。如果第一电导体1例如是牵引电动机电缆的部段，则可以根据交流电压的频率确定以施加在牵引电动机电缆上的交流电压驱动的电动机的转速，其中考虑电动机的极对的数量。还可以对所施加的交流电压的频谱以及其在时间上的变化进行分析，以便能够以这种方式确定电动机的特性。为此可以使用本身已知的信号分析的方法。替换地，还可以去掉用于测量转速的部件15和/或用于分析电流特征的部件16。

在电流特征分析中，监测电动机电流，这例如可以借助对所施加的运行电压的三个相中的一相进行监测来实现。所涉及的相通常位于三个牵引电动机电缆中的一个，并且该牵引电动机电缆的部段可以在这里描述的设备中用作第一电导体1。电动机的定子绕组用作转换器(transducer)，并且在转子中感应出的电流作为信号被量取，并且例如将其提供给频谱分析仪。不同的故障条件会导致对理想的正弦信号曲线的调制。根据对该调制的分析可以推断出存在的故障条件。这种电流特征分析例如用于监测电动机状态；用于检测由于磨损、不正确的装配或过载(如不平衡、轴承损坏或悬架损坏)造成的电动机损坏；或者用于实现电动机状态的连续的自检，而无需安装附加的传感器。

在用于整流的部件8的下游可以连接用于限制电压的部件17，利用该限制电压的部件17，例如在使用分流电阻的情况下来限制运行电压。如果所施加的交流电压波动强烈，使得感应的交流电压偶尔超过运行电压的允许范围，则可能需要限制电压。如果所施加的交流电压预计仅具有轻微的波动，则仅通过设置第二电导体2的尺寸就可以适当地调整运行电压，从而可以省去用于限制电压的部件17。

在用于整流的部件8或用于限制电压的部件17与电路模块9或用于存储能量的部件20之间可选地连接有用于直流转换的部件18。用于存储能量的部件20例如是电容器或小型蓄电池，其用于确保均匀的能量供应。这尤其在如下情况下是有用的，即，交流电压不连续地施加到第一电导体1上，从而在此期间在第二电导体2中没有感应出交流电压。例如，如果第一电导体1是牵引电动机电缆的部段，并且偶尔电动机既不对车辆进行加速也不对车辆进行制动，从而在这段时间期间没有电流流过，就会出现这种情况。用于存储能量的部件20也与电路模块9连接，使得始终有充足的电能提供给电路模块9。

可选的另外的用于直流转换的部件19可以连接在用于存储能量的部件20与电路模块9之间。该部件和其他另外的部件的选择和连接可以独立于能量供应适合于分别设置的设备应用。

图8还示出了可选的通信模块29，该通信模块可以被设置为，将在电路模块9中采集或处理的数据输出或将其传输到显示仪器。同样可选的数据存储器30例如设置用于存储数据并且与电路模块9连接，数据存储器30例如可以具有闪存、EEPROM或其它电子存储器、特别是非易失性电子存储器。

在图8的图示中，作为示例引入了如下传感器：第一传感器31，其例如可以是温度传感器；和第二传感器32，其例如可以微机械惯性传感器。传感器的数量和性质是任意的并且可以根据相应的设备应用的要求进行选择。传感器31、32与电路模块9连接。

在图8中用点划线方框表示，传感器装置10除了传感器31、32、电路模块9之外，可能还具有用于直流转换的部件18、19、用于存储能量的部件20、通信模块29和数据存储器30。例如，传感器装置10安装在传感器箱3中。

图9示出了根据图8的用于供应能量的设备的框图，该设备具有不同的部件布置。在图9的图示中，传感器装置10中附加地包括第三传感器33，第三传感器例如可以是湿度传感器或另外的惯性传感器。其余的部件相应于图8的图示的部件并且具有相同的附图标记。在该设备中也可以去掉用于测量转速的部件15和/或用于分析电流特征的部件16。

在图9中用点划线方框表示，用于整流的部件8、电路模块9、用于测量转速的部件15或用于分析电流特征的部件16、用于限制电压的部件17、用于直流转换的部件18、19、用于存储能量的部件20、通信模块29和数据存储器30可以布置在第一电导体1和第二电导体2的壳体5中，而传感器装置10包含传感器31、32和33。取而代之，在壳体5和可以安装在传感器箱中的传感器装置10上的其他部件分布也是可以的。该设备的部件也可以布置在壳体5或传感器箱3的外部。可以去掉壳体5和/或传感器箱3。

图10示出了根据图8的用于供应能量的设备的框图，该设备具有不同的部件选择。在图10的示例中存在的部件相应于图8的图示的部件并且具有相同的附图标记。在图10的示例中，去掉了用于限制电压的部件和用于直流转换的部件。此外，在图10中用点划线方框表示，在该示例中，除了传感器31、32之外，传感器装置10还可以具有电路模块9、用于存储能量的部件20、通信模块29和数据存储器30。在该示例中，还可以以不同的方式进行部件的布置。特别地，去掉了用于测量转速的部件15和/或用于分析电流特征的部件16。

图11示出了根据图10的用于供应能量的设备的框图，该设备具有不同的部件选择和部件布置。在图11中的示例中存在的部件相应于图9的图示的部件并且具有相同的附图标记。在图11中用点划线方框表示，用于整流的部件8、电路模块9、用于直流转换的部件19、用于存储能量的部件20、通信模块29和数据存储器30可以布置在第一电导体1和第二电导体2的壳体5中，而传感器装置10包含传感器31、32和33。取而代之，在壳体5和可以安装在传感器箱中的传感器装置10上的其他部件分布也是可以的。在图11的示例中，部件也可以布置在壳体5或传感器箱3的外部。尤其可以去掉壳体5和/或传感器箱3。可以省去用于测量转速的部件15和/或用于分析电流特征的部件16。

所描述的设备尤其是向用于采集车辆部件的数据的传感器装置供应能量的***的一部分。例如，能量供应尤其被设置为用于电动机/传动机构-传感器应用。在这种***中，特别是利用围绕牵引电动机电缆同心布置的线圈，感应地从牵引电动机电缆中耦合输出电能。

该设备和***尤其具有优点：避免了与车辆电气设备的长的电缆连接和插头连接。此外，实现了相对较大的并且基本上连续的能量供应，这除了别的之外具有以下优点：通过一个或多个传感器可以连续地采集、处理并且必要时存储数据；能量供应特别适合于无线的数据传输；可以省去对电池的维护；并且可以通过非常短的、自给自足的电缆连接对多个传感器应用进行供电。此外，还可以检测牵引电动机供电频率(电动机基本频率)，并且在考虑极对的数量的情况下，可以据此确定牵引电动机转速。此外，变流器时钟中断可以借助简单的能量存储器来桥接，在该变流器时钟中断期间会断开交流电压。

在用于向车辆部件的电路模块和/或传感器装置供应能量的方法中，将交流电压施加到将变流器与电动机连接的第一电导体上，以便借助感应在第二电导体(第二电导体具有与第一电导体的感应耦合)中产生另外的交流电压，并且由此向电路模块和/或传感器装置供应电能。借助该方法除了别的之外实现了以下优点：为安装在车辆部件上或车辆部件中的传感器应用实现了可靠的、无线的且足够的能量供应；这种类型的能量供应还可以实现利用安装和/或固定在车辆上的接收和发送设备实现至少尽可能连续且无线的数据通信；不需要附加的传感器***就可以确定电动机、传动机构和/或驱动轴的转速，并且具有比例如磁场传感器更高的准确性。

参照实施例对本发明进行了详细的解释和描述，但本发明并不限于这些实施例。本领域技术人员从上面的描述中导出的变型也在本发明的范围中。

Claims (9)

1.一种用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的设备，所述设备至少具有

-第二电导体(2)，所述第二电导体具有与第一电导体(1)的感应耦合(7)，其中所述第一电导体(1)被设计为电动机电缆(11、12)的至少一部分，所述电动机电缆将变流器(14)与轨道车辆的电动机(13)连接，其中所述第二电导体(2)的至少一个部段被设计为线圈(21、22)的绕组(21)，并且其中所述线圈(21、22)具有环形铁芯(22)，并且所述铁芯(22)同心地围绕所述第一电导体(1)，和

-借助运行电压运行的电路模块(9)，所述电路模块用于处理至少一个传感器的信号，其中，所述至少一个传感器用于采集车辆部件(6)的数据和/或状态，

其中

-所述电路模块(9)与所述第二电导体(2)连接，并且

-所述第二电导体(2)被配置为根据施加到所述第一电导体(1)的交流电压借助感应在所述第二电导体(2)中产生运行电压。

2.根据权利要求1所述的设备，其中

至少一个传感器是所述传感器装置(10)的一部分，并且所述电路模块(9)与所述传感器装置(10)连接或者同样是所述传感器装置(10)的一部分。

3.根据权利要求2所述的设备，其中

所述传感器装置(10)被配置为，用于采集作为车辆的部件的电动机、特别是被设计为驱动电动机的电动机、传动机构、风扇电动机、泵电动机或压缩机电动机的数据，所述车辆的部件特别地布置在轨道车辆的转向架中或转向架上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述设备还具有

用于整流的部件(8)，所述用于整流的部件连接在所述第二电导体(2)与所述电路模块(9)之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述设备还具有

用于存储能量的部件(20)，所述用于存储能量的部件与所述第二电导体(2)和所述电路模块(9)连接。

6.根据权利要求1所述的设备，其中

所述线圈(21、22)围绕所述电动机电缆(11、12)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述设备还具有

用于测量转速的部件(15)，所述用于测量转速的部件连接到所述第二电导体(2)，并且被设计为，根据在所述第一电导体(1)中流动的运行电流的频率确定电动机的转速。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述设备还具有

用于分析电流特征的部件(16)，所述用于分析电流特征的部件连接到第二电导体(2)，并且被设置为，对在所述第一电导体(1)中流动的运行电流的频谱进行分析。

9.一种用于向轨道车辆中的传感器装置供应能量的方法，其中

-将交流电压施加到至少暂时有电流流过的第一电导体(1)上，所述第一电导体将变流器(14)与轨道车辆的电动机(13)连接，其中所述第一电导体(1)被设计为电动机电缆(11、12)的至少一部分，所述电动机电缆将所述变流器(14)与所述电动机(13)连接，

-借助感应在第二电导体(2)中产生另外的交流电压，所述第二电导体具有与所述第一电导体(1)的感应耦合(7)，其中所述第二电导体(2)的至少一个部段被设计为线圈(21、22)的绕组(21)，并且其中所述线圈(21、22)具有环形铁芯(22)，并且所述铁芯(22)同心地围绕所述第一电导体(1)，并且

-所述另外的交流电压用于向电路模块(9)供应能量，所述电路模块用于处理至少一个传感器的信号，所述至少一个传感器用于采集车辆部件(6)的数据和/或状态。