DE102014224701A1

DE102014224701A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung sowie Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb

Info

Publication number: DE102014224701A1
Application number: DE102014224701.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Kolb; Oliver Dippold; Ralf Wagner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung mit einem induktiven Koppler zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen einer Primärwicklung des induktiven Kopplers und einer mit der Primärwicklung induktiv gekoppelten Sekundärwicklung des induktiven Kopplers, einer mit der Primärwicklung verbundenen ersten Schaltungsanordnung, über welche ein erstes Energiesignal an der Primärwicklung einstellbar ist, wobei die erste Schaltungsanordnung derart steuerbar ist, dass das erste Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung moduliert wird, und einer mit der Sekundärwicklung verbundenen zweiten Schaltungsanordnung, über welche die über den Koppler übertragene Energie umwandelbar ist, wobei über die zweite Schaltungsanordnung ein zweites Energiesignal an der Sekundärwicklung einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung derart steuerbar ist, dass das zweite Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung zu der Primärwicklung moduliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung mit einem induktiven Koppler zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen einer Primärwicklung des induktiven Kopplers und einer mit der Primärwicklung induktiv gekoppelten Sekundärwicklung des induktiven Kopplers, und einer mit der Primärwicklung verbundenen ersten Schaltungsanordnung, über welche ein erstes Energiesignal an der Primärwicklung einstellbar ist, wobei die erste Schaltungsanordnung derart steuerbar ist, dass das erste Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung moduliert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung über einen induktiven Koppler zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen einer Primärwicklung des induktiven Kopplers und einer mit der Primärwicklung induktiv gekoppelten Sekundärwicklung des induktiven Kopplers, wobei über eine mit der Primärwicklung verbundene erste Schaltungsanordnung ein erstes Energiesignal an der Primärwicklung eingestellt wird und die erste Schaltungsanordnung derart gesteuert wird, dass das erste Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung moduliert wird.
Derartige Vorrichtungen zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung kommen üblicherweise in solchen Anwendungen zum Einsatz, in denen neben elektrischer Energie zusätzlich auch Daten zwischen zwei galvanisch voneinander getrennten Systemen übertragen werden sollen. Ein Beispiel eines kontaktlosen Energieübertragungssystems, in welchem die Erfindung Anwendung finden kann, stellt eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs dar. Derartige Riemenscheibenanordnungen können eine elektrische Maschine zur Drehmomentübertragung zwischen einer Riemenscheibe und einer Welle aufweisen, wobei zur Kontaktierung drehbarer Komponenten eine Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung vorgesehen ist.
Eine solche Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung, bei welcher zusätzlich auch Daten kontaktlos übertragbar sind, ist beispielsweise aus der DE 102 34 893 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist einen Koppler mit einer Primärwicklung und einer gegenüber der Primärwicklung bewegbaren Sekundärwicklung auf, welche induktiv gekoppelt sind. Die Primärwicklung wird durch ein Schaltnetzteil angesteuert, welches ein erstes Energiesignal in Form eines Spannungssignals an der Primärwicklung erzeugt. Zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung wird die Frequenz des Energiesignals durch das Schaltnetzteil moduliert. Zur Datenübertragung in Richtung der Primärwicklung ist bei der bekannten Vorrichtung eine zusätzliche, zusammen mit der Sekundärwicklung bewegbar angeordnete Hilfswicklung vorgesehen, die induktiv mit der Primärwicklung gekoppelt ist. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass durch die Hilfswicklung und die zur Ansteuerung der Hilfswicklung erforderliche Elektronik zusätzlicher schaltungstechnischer Aufwand entsteht.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den schaltungstechnischen Aufwand bei der gleichzeitigen Übertragung von Energie und Daten zu verringern.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe durch eine mit der Sekundärwicklung verbundene zweite Schaltungsanordnung gelöst, über welche die über den Koppler übertragene Energie umwandelbar ist, wobei über die zweite Schaltungsanordnung ein zweites Energiesignal an der Sekundärwicklung einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung derart steuerbar ist, dass das zweite Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung zu der Primärwicklung moduliert wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art trägt es zur Lösung der Aufgabe bei, dass über eine mit der Sekundärwicklung verbundene zweite Schaltungsanordnung die über den Koppler übertragene Energie umgewandelt wird, über die zweite Schaltungsanordnung ein zweites Energiesignal an der Sekundärwicklung eingestellt wird und die zweite Schaltungsanordnung derart gesteuert wird, dass das zweite Energiesignal zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung zu der Primärwicklung moduliert wird.
Erfindungsgemäß ist mit der Sekundärwicklung eine zweite Schaltungsanordnung verbunden, welche zur Umwandlung der über den induktiven Koppler übertragenen Energie eingerichtet ist, so dass beispielsweise über die Schaltungsanordnung das über den Koppler übertragene erste Energiesignal in ein Gleichspannungssignal, ein Wechselspannungssignal, ein Gleichstromsignal oder ein Wechselstromsignal gewandelt werden kann. Ferner ist es möglich, dass das über den Koppler übertragene erste Energiesignal in ein Energiesignal mit einer veränderten Frequenz gewandelt wird. Insofern kann über die zweite Schaltungsanordnung eine Anpassung des über den induktiven Koppler übertragenen ersten Energiesignals an eine mit der zweiten Schaltungsanordnung verbundene Last erfolgen.
Ferner ist über die zweite Schaltungsanordnung ein zweites Energiesignal an der Sekundärwicklung einstellbar. Bei dem zweiten Energiesignal kann es sich um ein Spannungssignal oder ein Stromsignal handeln, das über den Koppler von der Sekundärwicklung induktiv auf die Primärwicklung übertragbar ist. Zudem kann die zweite Schaltungsanordnung derart gesteuert werden, dass das zweite Energiesignal moduliert wird, um Daten von der Sekundärwicklung zu der Primärwicklung zu übertragen, so dass eine bidirektionale Übertragung von Daten ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bringen den Vorteil mit sich, dass eine zusätzliche Wicklung zur Übertragung der Daten in Richtung der Primärwicklung nicht erforderlich ist. Durch die Wahl eines ersten Energiesignals für die Übertragung von Daten von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung und eines von dem ersten Energiesignal verschiedenen, zweiten Energiesignals zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung auf die Primärwicklung können Daten bidirektional übertragen werden ohne dass eine gegenseitige Störung der Datenübertragung zu befürchten wäre. Ferner kann darauf verzichtet werden, zusätzliche Vorrichtungen zur Modulation des zweiten Energiesignals an der Sekundärwicklung vorzusehen, da die Modulation durch die zur Energieübertragung genutzte zweite Schaltungsanordnung erfolgt. Die zweite Schaltungsanordnung erfüllt insofern eine Doppelfunktion zur Übertragung von Energie und Daten. Somit wird der schaltungstechnische Aufwand zur Realisierung einer gleichzeitigen Übertragung von Energie und Daten über den induktiven Koppler reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Schaltungsanordnung erste steuerbare Schaltelemente auf, über welche das erste Energiesignal an der Primärwicklung einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung weist zweite steuerbare Schaltelemente auf, über welche das zweite Energiesignal an der Sekundärwicklung einstellbar ist. Die steuerbaren Schaltelemente sind vorteilhafterweise als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet, die wahlweise zwischen einem elektrisch leitenden Zustand und einem elektrisch nicht leitenden Zustand umschaltbar sind, z. B. als Bipolartransistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (engl. Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), Sperrschicht-Feldeffekttransistor (engl. Junction gate Field Effect Transistor, JFET) oder als MOS-Feldeffekttransistor (engl. Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET). Die Schaltelemente können über Steuerpulse mit einer vorgegebenen Pulsweite gesteuert werden, wobei die Pulsweite moduliert wird.
Bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung und/oder die zweite Schaltungsanordnung als Stromrichter ausgebildet, so dass ein an der jeweiligen Schaltungsanordnung anliegendes Energiesignal in ein andersartiges Energiesignal gewandelt werden kann. Durch einen Stromrichter ist es möglich, eine Wandlung zwischen einem Wechselspannungssignal/Wechselstromsignal und einem Gleichspannungssignal/Gleichstromsignal durchzuführen.
Ferner kann durch den Stromrichter die Amplitude oder Frequenz eines Energiesignals verändert werden. Der Stromrichter kann einen Wechselrichter, Umrichter, insbesondere Frequenzumrichter oder Gleichspannungswandler (auch als DC-DC-Wandler bezeichnet) aufweisen. Besonders bevorzugt weist die erste Schaltungsanordnung einen Wechselrichter auf und die zweite Schaltungsanordnung weist einen Gleichrichter auf, so dass Energie von einer mit der ersten Schaltungsanordnung verbundenen Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle in eine Wechselspannung/einen Wechselstrom gewandelt, über den induktiven Koppler übertragen und in eine Gleichspannung/einen Gleichstrom gewandelt werden kann. Die Stromrichter sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie Energie bidirektional übertragen können, so dass Energie in beiden Richtungen über den induktiven Koppler übertragbar ist.
Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung herausgestellt, bei welcher das erste Energiesignal ein Spannungssignal ist und das zweite Energiesignal ein Stromsignal ist. Alternativ kann das erste Energiesignal ein Stromsignal und das zweite Energiesignal ein Spannungssignal sein. Insofern werden für die Übertragung der Daten von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung und umgekehrt unterschiedliche Trägersignale zur Verfügung gestellt, wodurch gegenseitige Beeinflussungen der Datenübertragung in beiden Richtungen verringert werden. Besonders vorteilhaft ist das Spannungssignal ein Wechselspannungssignal und/oder das Stromsignal ist ein Wechselstromsignal.
In diesem Zusammenhang hat sich eine Ausgestaltung als bevorzugt erwiesen, bei welcher die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder der Tastgrad des Spannungssignals moduliert wird. Hierzu können die Schaltelemente der ersten Schaltungsanordnung und/oder der zweiten Schaltungsanordnung derart angesteuert werden, dass die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder der Tastgrad des Spannungssignals moduliert wird. Es ist daher nicht erforderlich, zusätzliche Schaltelemente zur Modulation des Energiesignals vorzusehen. Optional kann die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder der Tastgrad des Spannungssignals derart eingestellt werden, dass die im Mittel übertragene Wirkleistung im Wesentlichen konstant ist, so dass die Beeinflussung der Energieübertragung durch die gleichzeitige Übertragung von Daten möglichst gering ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Amplitude und/oder die Phasenlage des Stromsignals moduliert werden. Hierzu können die Schaltelemente der ersten Schaltungsanordnung und/oder der zweiten Schaltungsanordnung derart angesteuert werden, dass die Amplitude und/oder die Phasenlage des Stromsignals moduliert werden. Optional kann die Amplitude und/oder die Phasenlage des Stromsignals derart eingestellt werden, dass die im Mittel übertragene Wirkleistung im Wesentlichen konstant ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung gegeneinander bewegbar, insbesondere gegeneinander drehbar, angeordnet sind, so dass die Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und Daten zwischen zwei gegeneinander bewegbaren bzw. gegeneinander drehbaren Systemen eingesetzt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, die Vorrichtung bei einer elektrisch erregten Synchronmaschine einzusetzen, um eine drehbare Erregerwicklung mit Energie zu versorgen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zur Versorgung von gegenüber der Primärwicklung bewegbaren elektrischen Schaltungen und/oder Sensoren Anwendung finden. Alternativ kann die Anordnung der Primärwicklung gegenüber der Sekundärwicklung festgelegt sein, so dass eine Bewegung der beiden Wicklungen gegeneinander nicht möglich ist. Eine derartige Ausgestaltung eignet sich für solche Anwendungen, in denen der Koppler nach Art eines Transformators ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Primärwicklung mit einer ersten Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines in der Primärwicklung induzierten dritten Energiesignals verbunden ist. Das dritte Energiesignal kann proportional zu dem in der Sekundärwicklung eingestellten zweiten Energiesignal sein, so dass die von der Sekundärwicklung zu der Primärwicklung übertragenen Daten empfangen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundärwicklung mit einer zweiten Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines vierten Energiesignals verbunden sein, wobei das vierte Energiesignal insbesondere proportional zu dem in der Primärwicklung eingestellten ersten Energiesignal ist. Hierdurch kann der Empfang von solchen Daten ermöglicht werden, die von der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung übertragen werden. Die Erfassungsvorrichtungen können als Strommesseinrichtung und/oder Spannungsmesseinrichtung ausgebildet sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Schaltungsanordnung mit einer Energiequelle oder einem Energiespeicher verbunden ist und die zweite Schaltungsanordnung mit einem Verbraucher und/oder einem Generator und/oder einer sowohl generatorisch als auch motorisch betreibbaren elektrischen Maschine verbunden ist.
Die zuvor genannten vorteilhaften Merkmale können sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, mit einer Riemenscheibe zum Einleiten eines über ein Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer Abtriebswelle zum Antrieb eines Nebenaggregats, insbesondere einer Kühlwasserpumpe, und einer elektrischen Maschine zur Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe und der Abtriebswelle, wobei die elektrische Maschine einen mit der Riemenscheibe verbundenen Rotor und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Stator oder einen mit der Riemenscheibe verbundenen Stator und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Rotor aufweist. Bei einer derartigen Riemenscheibenanordnung wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die elektrische Maschine über eine vorstehend beschriebene Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung kontaktiert ist.
Bei der Riemenscheibenanordnung ergeben sich dieselben Vorteile wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken. Hierin zeigt
1 eine erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung in einem Blockdiagramm,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung in einem schematischen Schaltplan,
3 verschiedene Verläufe eines Spannungssignals zur Veranschaulichung der Modulation,
4 verschiedene Verläufe eines Stromsignals zur Veranschaulichung der Modulation und
5 ein Ausführungsbeispiel einer Riemenscheibenanordnung mit einer Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung in einer schematischen Seitenansicht.
In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung 1 mit einem induktiven Koppler 2 dargestellt, welcher eine Primärwicklung 2.1 und eine mit der Primärwicklung 2.1 induktiv gekoppelte Sekundärwicklung 2.2 aufweist. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise zum gleichzeitigen Austausch von Energie und Daten zwischen einem mit der Primärwicklung 2.1 gekoppelten ersten System und einem mit der Sekundärwicklung 2.2 gekoppelten zweiten System zum Einsatz kommen, wobei das erste System und das zweite System galvanisch getrennt sind. Zusätzlich kann das erste System gegenüber dem zweiten System bewegbar sein. Der induktive Koppler 2 kann beispielsweise als Drehübertrager ausgestaltet sein. Ein Drehübertrager weist üblicherweise einen geteilten Kern mit zwei gegeneinander drehbaren Kernteilen auf, wobei die Primärwicklung 2.1 auf einem ersten Kernteil und die Sekundärwicklung 2.2 auf einem zweiten Kernteil angeordnet ist.
Im Folgenden soll die über der Primärwicklung 2.1 abfallende Spannung als Spannungssignal U1 und die über der Sekundärwicklung 2.2 abfallende Spannung als Spannungssignal U2 bezeichnet werden. Die Spannungssignale U1, U2 sind über das Übersetzungsverhältnis ü wie folgt verbunden: U2 = U1·ü; ü = N1/N2
Das Übersetzungsverhältnis ü stellt den Quotient aus der Windungsanzahl N1 der Primärwicklung 2.1 und der Windungsanzahl N2 der Sekundärwicklung 2.2 dar. Der Strom in der Primärwicklung soll nachfolgend als Stromsignal I1 und der Strom in der Sekundärwicklung als Stromsignal I2 bezeichnet werden. Die Stromsignale sind proportional zueinander: I1 = I2·ü
Wird das Übersetzungsverhältnis ü nahe 1 gewählt, so entspricht das Spannungssignal U1 im Wesentlichen dem Spannungssignal U2 und das Stromsignal I1 entspricht im Wesentlichen dem Stromsignal I2.
Mit der Primärwicklung 2.1 ist eine erste leistungselektronische Schaltungsanordnung 3 nach Art eines Stromrichters verbunden. Die erste Schaltungsanordnung 3 ist zwischen einer als Spannungsquelle ausgebildeten Energiequelle 9 und dem induktiven Koppler 2 angeordnet und ermöglicht die Wandlung der von der Energiequelle 9 abgegebenen Energie in zur Übertragung über den induktiven Koppler 2 geeignete Energiesignale U1, I1. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird über die Schaltungsanordnung 3 an der Primärwicklung 2.1 ein erstes Energiesignal U1 eingestellt. Bei dem ersten Energiesignal U1 handelt es sich um ein als Wechselspannungssignal ausgebildetes Spannungssignal U1. Die erste Schaltungsanordnung 3 weist mehrere leistungselektronische Schaltelemente auf, welche durch eine mit der ersten Schaltungsanordnung 3 verbundene erste Steuervorrichtung 5 angesteuert werden.
Zudem ist eine zweite leistungselektronische Schaltungsanordnung 4 nach Art eines Stromrichters vorgesehen, welche zwischen der Sekundärwicklung 2.2 des induktiven Kopplers 2 und einem Verbraucher 10 angeordnet ist. Die zweite Schaltungsanordnung 4 ist mit einer zweiten Steuervorrichtung 6 verbunden, über welche leistungselektronische Schaltelemente der zweiten Schaltungsanordnung 4 steuerbar sind. Die zweite Schaltungsanordnung 4 ermöglicht die Wandlung der über den induktiven Koppler 2 übertragenen Energie in eine an den Verbraucher 10 angepasste Form. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Verbraucher 10 dreiphasig ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel wird über die zweite Schaltungsanordnung 4 das an der Sekundärwicklung 2.2 anliegende Wechselspannungssignal U2 in ein Drehspannungssystem umgewandelt bzw. das Wechselstromsignal I2 in ein Drehstromsystem umgewandelt. Ferner ist über die zweite Schaltungsanordnung 4 das Stromsignal I2 der Sekundärspule 2.2 einstellbar.
Sowohl die erste Schaltungsanordnung 3 als auch die zweite Schaltungsanordnung 4 sind im Hinblick auf den Energiefluss bidirektional betreibbar, so dass Energie sowohl von der Primärwicklung 2.1 zur Sekundärwicklung 2.2 als auch von der Sekundärwicklung 2.2 zu der Primärwicklung übertragen werden kann. Es ist daher möglich, einen Verbraucher 10 vorzusehen, der wahlweise als Generator betreibbar ist, z. B. eine elektrische Maschine, die sowohl generatorisch als auch motorisch betreibbar ist. Ferner kann die Energiequelle 9 als Energiespeicher ausgestaltet sein, so dass wahlweise Energie aus dem Energiespeicher über den Koppler 2 zu dem Verbraucher 10 übertragen werden kann oder Energie von dem als Generator betriebenen Verbraucher 10 zu der Energiequelle 9 übertragen werden kann.
Bei der Vorrichtung 1 ist zusätzlich vorgesehen, dass Daten bidirektional zwischen der Primärwicklung 2.1 und der Sekundärwicklung 2.2 übertragen werden können. Hierzu werden die Schaltelemente der ersten Schaltungsanordnung 3 durch die Steuervorrichtung 5 derart gesteuert, dass das Spannungssignal U1 an der Primärwicklung 2.1 moduliert wird. Ferner werden die Schaltelemente der zweiten Schaltungsanordnung 4 durch die Steuervorrichtung 6 derart gesteuert, dass das Stromsignal I2 an der Sekundärwicklung 2.2 moduliert wird. Für das Spannungssignal U1 an der Primärwicklung 2.1 – das erste Energiesignal – und das Stromsignal I2 an der Sekundärwicklung 2.2 – das zweite Energiesignal – ergeben sich folgende Gleichungen: U1(t) = (1/ü)·U2(t) = Û1(x)·sin[ω(x·t)] I2(t) = (1/ü)·I2(t) = Î2(y)·sin[ω(x)·t – φ(y)]
Die vorstehenden Gleichungen stellen insofern eine Näherung dar, dass sie lediglich die Grundschwingung der Energiesignale U1, I2 berücksichtigen. Abweichend von den vorstehenden Gleichungen können die Energiesignale U1, I2 zusätzliche Anteile aufweisen, beispielsweise Oberschwingungen.
Zur Kodierung von Daten in das Energiesignal U1 kann beispielsweise die Amplitude Û1 gemäß den von der Primärwicklung 2.1 zur Sekundärwicklung 2.2 zu übertragenden Daten x moduliert werden, so dass eine Amplitudenmodulation des Spannungssignals U1 erhalten wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Frequenz ω gemäß den Daten x moduliert werden. Bei dem Stromsignal I2 kann zur Kodierung der von der Sekundärwicklung 2.2 zur Primärwicklung 2.1 zu übertragenden Daten y die Amplitude Î2 moduliert werden. Zudem ist es möglich, die Phase φ des Stromsignals I2 in Bezug auf das Spannungssignal U1 bzw. U2 zu modulieren.
Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Wicklung zur Übertragung der Daten in Richtung der Primärwicklung 2.1 vorzusehen. Dadurch, dass zur Datenübertragung von der Primärwicklung 2.1 zu der Sekundärwicklung 2.2 das Spannungssignal U1 moduliert wird und zur Datenübertragung von der Sekundärwicklung 2.2 zu der Primärwicklung 2.1 das Stromsignal I2 moduliert wird, können Daten bidirektional übertragen werden ohne dass eine gegenseitige Störung der Datenübertragung zu befürchten ist. Ferner sind auch keine zusätzlichen Vorrichtungen zur Modulation der Energiesignale U1, I2 erforderlich, da die ohnehin in den als Stromrichter ausgebildeten Schaltungsanordnungen 3, 4 enthaltenen Schaltelemente nicht nur zur Erzeugung und/oder Einstellung der Energiesignale U1, I2, sondern auch zu deren Modulation herangezogen werden. Die steuerbaren Schaltelemente der Schaltungsanordnungen 3, 4 können als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein, z. B. als Bipolartransistor, IGBT, JFET oder als MOSFET. Zur Ansteuerung der Schaltelemente können durch die Steuervorrichtung 5, 6 Steuerpulse durch Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt werden.
Die Steuervorrichtungen 5, 6 weisen jeweils einen Sender 5.1, 6.1 auf, der aus den zu übertragenden Daten geeignete Ansteuersignale für die Schaltelemente der Schaltungseinrichtungen 3, 4 erzeugt.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß 1 ist ferner eine mit der Primärwicklung 2.1 verbundene erste Erfassungsvorrichtung 7 vorgesehen, über welche das zu dem Stromsignal I2 proportionale Stromsignal I1 erfasst wird. Die Sekundärwicklung ist mit einer zweiten Erfassungsvorrichtung 8 verbunden, über welche das zu dem Spannungssignal U1 proportionale Spannungssignal U2 erfasst wird. Die erste Erfassungsvorrichtung 7 ist als Strommessgerät und die zweite Erfassungsvorrichtung 8 ist als Spannungsmessgerät ausgebildet. Die in den Erfassungsvorrichtungen 7, 8 erfassten Energiesignale U1, I2 werden Empfängern 5.2, 6.2 zugeleitet, die Teil der Steuervorrichtungen 5, 6 sind. In den Empfängern 5.2, 6.2 werden die Energiesignale demoduliert.
In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. In der 1 und 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Die Vorrichtung 1 zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung nach 2 weist eine mit der Primärwicklung 2.1 verbundene erste Schaltungsanordnung 3 auf, welche einen Gleichspannungswandler 3.3 und einen Wechselrichter 3.1 sowie einen zwischen dem Gleichspannungswandler 3.3 und dem Wechselrichter 3.1 angeordneten Gleichspannungszwischenkreis 3.2 mit einem Zwischenkreiskondensator aufweist. Der Wechselrichter 3.1 ist als Vollbrückenschaltung ausgebildet und weist zwei Brückenzweige auf, über welche an der Primärwicklung 2.1 wahlweise eine positive Spannung angelegt, eine negative Spannung angelegt oder die Primärwicklung 2.1 kurzgeschlossen werden kann. Der Wechselrichter weist Schaltelemente auf, die über den Sender 5.1 der Steuervorrichtung 5 angesteuert werden, um die Frequenz ω des Spannungssignals U1 einzustellen und zu modulieren. Der Gleichspannungswandler 3.3 wird ebenfalls durch den Sender 5.1 der Steuervorrichtung 5 gesteuert, um die Amplitude Û1 des Spannungssignals U1 einzustellen und zu modulieren.
Die zweite Schaltungsanordnung 4 der Vorrichtung 1 nach 2 weist einen Gleichrichter 4.1 sowie ein Gleichspannungsnetz 4.2 mit einem Kondensator auf. Die Schaltelemente des Gleichrichters 4.1 werden durch den Sender 6.1 der Steuervorrichtung 6 angesteuert, um die Amplitude Î2 und/oder die Phase φ des Stromsignals I2 einzustellen und zu modulieren.
Ferner sind im Strompfad zwischen der Sekundärwicklung 2.2 und der zweiten Schaltungsanordnung 4 eine optionale Drossel 11 und ein optionaler Kondensator 12 angeordnet. Durch die Drossel 11 wird der Stromverlauf nach Art einer Glättungsinduktivität geglättet. Anstelle der Drossel 11 kann die Glättungsinduktivität als Teil des Kopplers 2, also als Teil der Primärwicklung 2.1 und/oder der Sekundärwicklung 2.2, oder als diskretes Bauelement im Strompfad zwischen der ersten Schaltungsanordnung 3 und der Primärwicklung 2.1 vorgesehen sein.
Die durch den Kondensator 12 bereitgestellte Kapazität ermöglicht es, die Schaltelemente der zweiten Schaltungsanordnung 4 resonant zu schalten, um Schaltverluste zu reduzieren.
Anhand der Darstellungen in 3 sollen nachfolgend verschiedene Modulationsarten veranschaulicht werden, die geeignet sind, um Daten mittels des Spannungssignals U1 zu übertragen.
3a zeigt ein an der Primärwicklung 2.1 eingestelltes Spannungssignal U1 bzw. das an der Sekundärwicklung 2.2 induzierte Spannungssignal U2, bei welchem die Amplitude Û1 bzw. Û2 moduliert wird. In Abhängigkeit von den Daten x werden blockförmige Spannungspulse unterschiedlicher Amplitude erzeugt.
3b zeigt das an der Primärwicklung 2.1 eingestellte Spannungssignal U1 bzw. das an der Sekundärwicklung 2.2 induzierte Spannungssignal U2 im Falle einer Frequenzmodulation. In Abhängigkeit von den zu übertragenden Daten x wird die Frequenz ω bzw. die Periodenlänge T der blockförmigen Spannungspulse eingestellt.
3c zeigt eine Modulation, bei welcher der Tastgrad d eingestellt wird, um Daten x in das Spannungssignal U1 an der Primärwicklung 2.1 bzw. das an der Sekundärwicklung 2.2 induzierte Spannungssignal U2 zu kodieren. Bei der Modulation des Tastgrads ergeben sich Modifikationen der Oberschwingungen.
Die Darstellungen in 4 zeigen verschiedene Möglichkeiten, das an der Sekundärwicklung 2.2 eingestellte Stromsignal I2 bzw. das in der Primärwicklung 2.1 induzierte Stromsignal I1 zu modulieren.
4a zeigt eine Amplitudenmodulation des Stromsignals I2 an der Sekundärwicklung 2.2. Die Amplitude Î2 des Stromsignals I2 wird in Abhängigkeit von den zu übertragenden Daten y eingestellt.
4b zeigt ein Stromsignal I2 an der Sekundärwicklung 2.2, bei welchem zu Übertragung von Daten x die Phasenlage φ in Bezug zu dem Spannungssignal U2 moduliert wird.
Die zuvor dargestellten Modulationsarten für das erste Energiesignal U1 und das zweite Energiesignal I2 können beliebig miteinander kombiniert werden.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 1 zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung weisen jeweils einen induktiven Koppler 2 zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen der Primärwicklung 2.1 des induktiven Kopplers 2 und der mit der Primärwicklung 2.1 induktiv gekoppelten Sekundärwicklung 2.2 des induktiven Kopplers 2 auf. Ferner ist eine mit der Primärwicklung 2.1 verbundene erste Schaltungsanordnung 3 vorgesehen, über welche ein erstes Energiesignal U1 an der Primärwicklung 2.1 einstellbar ist, wobei die erste Schaltungsanordnung 3 derart steuerbar ist, dass das erste Energiesignal U1 zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung 2.1 zu der Sekundärwicklung 2.2 moduliert wird. Zudem ist eine mit der Sekundärwicklung 2.2 verbundene zweite Schaltungsanordnung 4 vorhanden, über welche die über den Koppler 2 übertragene Energie umwandelbar ist, wobei über die zweite Schaltungsanordnung 4 ein zweites Energiesignal I2 an der Sekundärwicklung 2.2 einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung 2.2 derart steuerbar ist, dass das zweite Energiesignal I2 zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung 2.2 zu der Primärwicklung 2.1 moduliert wird.
Schließlich ist in 5 eine Riemenscheibenanordnung 100 gezeigt. Die Riemenscheibenanordnung 100 weist eine Riemenscheibe 112 mit einer nach radial außen weisenden Lauffläche 114 auf, über welche ein von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitgestelltes Drehmoment von einem als Flachriemen ausgebildeten Zugmittel eingeleitet werden kann. Die Riemenscheibe 112 ist über ein Wälzlager 148 relativ drehbar zu einer Abtriebswelle 118 gelagert. Ferner ist die Riemenscheibe 112 über eine elektrische Maschine 116 mit der Abtriebswelle 118 gekoppelt. Die Abtriebswelle kann beispielsweise eine Eingangswelle eines Nebenaggregats, z. B. einer Kühlwasserpumpe, sein. Die elektrische Maschine 116 weist einen mit der Riemenscheibe 112 fest verbundenen Rotor 120 und einen über einen Luftspalt zu dem Rotor 120 beabstandeten Stator 122 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 120 Permanentmagneten auf, während der Stator 122 Wicklungen aufweist. Alternativ kann der Rotor 120 Wicklungen und der Stator 122 Permanentmagneten aufweisen. Weiter alternativ können sowohl auf dem Rotor 120 als auch auf dem Stator 122 Wicklungen angeordnet sein.
Der Stator 122 ist über einen Träger 124 fest mit der Abtriebswelle 118 verbunden. Der Träger ist ringförmig mit einem im Wesentlichen U-förmigen axial geöffneten Querschnitt ausgestaltet. Der Träger 124 weist an der Basis des U-förmigen Querschnitts ein in radialer Richtung verlaufendes Verbindungsstück 126 auf, so dass sich zwischen dem Stator 122 und der Abtriebswelle 118 eine Tasche 128 ausbildet, in welcher ein induktiver Koppler 2 der Vorrichtung 1 zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung angeordnet ist. Über die Vorrichtung 1 kann eine elektrische Verbindung der Wicklungen des Rotors 120 bzw. des Stators 122 ermöglicht werden, so dass an den Wicklungen eine Versorgungsspannung angelegt werden kann und/oder das elektromagnetische Feld der elektrischen Maschine 116 beeinflusst werden kann.
Die Primärwicklung 2.1 des Kopplers 2 ist mit einem feststehenden Halter 140 verbunden. Über den Halter 140 sind Elektroleitungen 144 geführt, die mit der Primärwicklung 2.1 verbunden sind. Über die Elektroleitungen 144 ist die Primärwicklung 2.1 mit der in der 5 nicht dargestellten ersten Schaltungsanordnung 3 verbunden. Die Sekundärwicklung 2.2 des Kopplers 2 ist mit der Schaltungsanordnung 4 verbunden, die in einem Gehäuse 146 innerhalb der Riemenscheibe 112 angeordnet ist.
Durch die Vorrichtung 1 können bei der Riemenscheibenanordnung 100 sowohl Energie als auch Daten zwischen einem feststehenden System, welches den Halter 140 umfasst, und der gegenüber dem feststehenden System drehbaren elektrischen Maschine 116 übertragen werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung
2: induktiver Koppler
2.1: Primärwicklung
2.2: Sekundärwicklung
3: Schaltungsanordnung
3.1: Wechselrichter
3.2: Gleichspannungszwischenkreis
3.3: Gleichspannungswandler
4: Schaltungsanordnung
4.1: Gleichrichter
4.2: Gleichspannungsnetz
5: Steuervorrichtung
5.1: Sender
5.2: Empfänger
6: Steuervorrichtung
6.1: Sender
6.2: Empfänger
7: Erfassungsvorrichtung
8: Erfassungsvorrichtung
9: Energiequelle
10: Verbraucher/Generator/generatorisch und motorisch betreibbare elektrische Maschine
11: Drossel
12: Kondensator
100: Riemenscheibenanordnung
112: Riemenscheibe
116: elektrische Maschine
118: Abtriebswelle
120: Rotor
122: Stator
124: Träger
126: Verbindungsstück
128: Tasche
140: Halter
144: Elektroleitungen
146: Gehäuse
148: Wälzlager
d: Tastgrad
ü: Übersetzungsverhältnis
x, y: Daten
U1, U2: Spannungssignal
I1, I2: Stromsignal
T: Periodenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10234893 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung mit einem induktiven Koppler (2) zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen einer Primärwicklung (2.1) des induktiven Kopplers (2) und einer mit der Primärwicklung (2.1) induktiv gekoppelten Sekundärwicklung (2.2) des induktiven Kopplers (2), und einer mit der Primärwicklung (2.1) verbundenen ersten Schaltungsanordnung (3), über welche ein erstes Energiesignal (U1, I1) an der Primärwicklung (2.1) einstellbar ist, wobei die erste Schaltungsanordnung (3) derart steuerbar ist, dass das erste Energiesignal (U1, I1) zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung (2.1) zu der Sekundärwicklung (2.2) moduliert wird, gekennzeichnet durch eine mit der Sekundärwicklung (2.2) verbundene zweite Schaltungsanordnung (4), über welche die über den Koppler (2) übertragene Energie umwandelbar ist, wobei über die zweite Schaltungsanordnung (4) ein zweites Energiesignal (I2, U2) an der Sekundärwicklung (2.2) einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung (2.2) derart steuerbar ist, dass das zweite Energiesignal (I2, U2) zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung (2.2) zu der Primärwicklung (2.1) moduliert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungsanordnung (3) erste steuerbare Schaltelemente aufweist, über welche das erste Energiesignal (U1, I1) an der Primärwicklung (2.1) einstellbar ist und die zweite Schaltungsanordnung (4) zweite steuerbare Schaltelemente aufweist, über welche das zweite Energiesignal (I2, U2) an der Sekundärwicklung (2.2) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungsanordnung (3) und/oder die zweite Schaltungsanordnung (4) als Stromrichter ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Energiesignal ein Spannungssignal (U1) ist und das zweite Energiesignal ein Stromsignal (I2) ist oder dass das erste Energiesignal ein Stromsignal (I1) ist und das zweite Energiesignal ein Spannungssignal (U2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Û1, Û2) und/oder die Frequenz (ω) und/oder der Tastgrad des Spannungssignals (U1, U2) moduliert wird und dass die Amplitude (Î1, Î2) und/oder die Phasenlage (φ) des Stromsignals (I1, I2) moduliert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (2.1) und die Sekundärwicklung (2.2) gegeneinander bewegbar, insbesondere gegeneinander drehbar, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (2.1) mit einer ersten Erfassungsvorrichtung (7) zur Erfassung eines in der Primärwicklung (2.1) induzierten dritten Energiesignals (I1, U1) verbunden ist und dass die Sekundärwicklung (2.2) mit einer zweiten Erfassungsvorrichtung (8) zur Erfassung eines in der Sekundärwicklung induzierten vierten Energiesignals (U2, I2) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungsanordnung (3) mit einer Energiequelle (9) oder einem Energiespeicher verbunden ist und die zweite Schaltungsanordnung (4) mit einem Verbraucher (10) und/oder einem Generator und/oder einer sowohl generatorisch als auch motorisch betreibbaren elektrischen Maschine verbunden ist.
Riemenscheibenanordnung für einen Riementrieb zum Antrieb von Nebenaggregaten eines Kraftfahrzeugs, mit einer Riemenscheibe (112) zum Einleiten eines über ein Zugmittel bereitstellbaren Drehmoments, einer Abtriebswelle (118) zum Antrieb eines Nebenaggregats, insbesondere einer Kühlwasserpumpe, und einer elektrischen Maschine (116) zur Drehmomentübertragung zwischen der Riemenscheibe (112) und der Abtriebswelle (118), wobei die elektrische Maschine (116) einen mit der Riemenscheibe (112) verbundenen Rotor (120) und einen mit der Abtriebswelle (118) verbundenen Stator (122) oder einen mit der Riemenscheibe verbundenen Stator und einen mit der Abtriebswelle verbundenen Rotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (116) über eine Vorrichtung (1) zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung nach einem der vorhergehenden Ansprüche kontaktiert ist.
Verfahren zur kontaktlosen Energie- und Datenübertragung über einen induktiven Koppler (2) zur bidirektionalen Übertragung von Energie und Daten zwischen einer Primärwicklung (2.1) des induktiven Kopplers (2) und einer mit der Primärwicklung (2.1) induktiv gekoppelten Sekundärwicklung (2.2) des induktiven Kopplers (2), wobei über eine mit der Primärwicklung (2.1) verbundene erste Schaltungsanordnung (3) ein erstes Energiesignal (U1, I1) an der Primärwicklung (2.1) eingestellt wird und die erste Schaltungsanordnung (3) derart gesteuert wird, dass das erste Energiesignal (U1, I1) zur Übertragung von Daten von der Primärwicklung (2.1) zu der Sekundärwicklung (2.2) moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine mit der Sekundärwicklung (2.2) verbundene zweiten Schaltungsanordnung (4) die über den Koppler (2) übertragene Energie umgewandelt wird, über die zweite Schaltungsanordnung (4) ein zweites Energiesignal (I2, U2) an der Sekundärwicklung (2.2) eingestellt wird und die zweite Schaltungsanordnung (4) derart gesteuert wird, dass das zweite Energiesignal (I2, U2) zur Übertragung von Daten von der Sekundärwicklung (2.2) zu der Primärwicklung (2.1) moduliert wird.