DE102016201253A1

DE102016201253A1 - Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System mit Niedrigenergieanwendungen

Info

Publication number: DE102016201253A1
Application number: DE102016201253.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kempe; Matthias Herbrich; Dagmar Münch; Timo Reulein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Vorrichtung 100 zur drahtlosen Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System. Die Vorrichtung umfasst eine Welle 110, einen Spulenträger 130, der in einem Abstand zur Welle 110 angeordnet ist, und eine Primärspule 135, wobei die Primärspule 135 an dem Spulenträger 130 angeordnet ist. Die Primärspule 135 erzeugt ein Magnetfeld in dem eine Sekundärspule 115 rotieren kann. Die Sekundärspule 115 ist an der Welle 110 angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Primärspule 135 und die Sekundärspule 115 derart voneinander beabstandet und konzentrisch um die Welle zueinander angeordnet sind, dass Signale und Energie übertragbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System mit Niedrigenergieanwendungen, insbesondere für einen RFID-Tag oder NFC-Tag. Weiter betrifft die Erfindung ein Sensortretlager mit einer solchen Vorrichtung und ein Fahrrad mit einem solchen Sensortretlager.
Ein Transponder ist ein funkbasiertes Kommunikationsgerät, das eingehende Signale aufnehmen und beantworten beziehungsweise weiterleiten kann. Der Begriff Transponder ist aus den Begriffen Transmitter und Responder gebildet.
Passive Transponder beziehen die Energie zur Kommunikation und Abarbeitung von Prozessorinstruktionen aus einem elektromagnetischen Feld von entsprechenden Schreib- und Leseeinheiten, welche hierfür in kurze Distanz zum Transponder gebracht werden. Passive Transponder benötigen keine eigene Stromversorgung.
Aktive Transponder hingegen verfügen über eine eigene Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie oder eine Anbindung an ein Stromnetz. Somit können aktive Transponder größerer Datenspeicher verwalten, größere Funkreichweiten überbrücken oder weitere auf oder an dem Transponder integrierter Sensorik betreiben.
Ein bekannter passiver Transpondertyp ist der sogenannte RFID-Tag (RFID steht für engl. „Radio Frequency Identification“ bzw. dt. Radiofrequenz-Identifikation). Er besteht aus einem Koppelelement, einer Antennenspule oder Dipolantenne, und einem Mikroprozessor. Der RFID-Tag gewinnt die Versorgungsspannung, wie oben erwähnt, aus den elektromagnetischen Feldern, die von den RFID Schreib- und Lesegeräten ausgestrahlt werden. Er ist auf eine im Allgemeinen maximale Funkreichweite von bis zu einem Meter, bei gleichzeitiger Energieübertragung, beschränkt. Daher findet der RFID-tag typischerweise Anwendung bei der Identifikation von Objekten oder Chipkarten für Zugangskontrollsysteme.
Ein weiterer bekannter Transpondertyp ist der NFC-Tag (NFC steht für engl. „Near Field Communication“ bzw. dt. Nahfeldkommunikation). Dieser basiert auf der RFID Technologie und dient speziell der sichern drahtlosen Datenübertragung über sehr kurze Entfernungen, also maximal 10 cm, im Allgemeinen weniger als 4 cm. Der NFC-Tag findet insbesondere Anwendung bei bargeldloser Zahlung von kleinen Beträgen. Er ist typischerweise in Bankarten oder Mobiltelefonen integriert.
Transponder, insbesondere die weit verbreiteten RFID- und NFC-Tags, können also durch das elektromagnetische Feld eines Schreib- und Lesegeräts mit Energie versorgt werden. Hierfür werden die Schreib- und Lesegeräte und die Transponder in räumliche Nähe gebracht. Der Austausch von Daten und die Übertragung von Energie finden also bei einer gegenüberliegenden, ebenen und einer im Wesentlichen bewegungslosen Anordnung statt.
In rotierenden oder rotierbaren Systemen, wie einem Lager, wird Energie hingegen im Allgemeinen mit Schleifringen oder ähnlichen kontaktbasierten Methoden übertragen, um beispielsweise Sensorik in einem Sensortretlager zur Erfassung von Drehmomenten zu versorgen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System zur Verfügung zu stellen, welche vollständig kontaktlos zwischen den rotierbaren Bauteilen Daten und Energie übertragen kann. Des Weiteren soll die Vorrichtung einen möglichst geringen Bauraum benötigen und insbesondere für die Anwendung von RFID- oder NFC-Tags geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst mit einer Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst eine Welle und einen Spulenträger, der in einem Abstand zur Welle angeordnet ist. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Primärspule, welche an dem Spulenträger angeordnet ist und ein Magnetfeld erzeugt, sowie eine Sekundärspule, welche an der Welle angeordnet ist. Die Sekundärspule ist in dem Magnetfeld rotierbar. Weiter sind die Primärspule und die Sekundärspule derart voneinander beabstandet und konzentrisch um die Welle zueinander angeordnet, dass Signale und Energie übertragbar sind.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Spulenträger konzentrisch um die Welle angeordnet.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Primärspule eine Sendespule und die Sekundärspule eine Empfangsspule.
Die Sekundärspule kann im Magnetfeld rotieren und ermöglicht damit die stetige Übertragung von Signalen und Energie. In einem rotierenden System treten also keine Totpunkte während der Übertragung von Daten und Energie auf. Insbesondere kann der Transponder und gegebenenfalls weitere an der Welle angeordneten Sensorikelemente somit permanent mit Energie versorgt werden. In anderen Worten ausgedrückt, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die bisher bekannten passiven Transponder in nun aktive Transponder in einer runden Anordnung zu überführen, ohne dabei auf eine Batterie oder externe Stromquelle zurückgreifen zu müssen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens einen Ferrit. Der mindestens Ferrit ist an der Sekundärspule und/oder an der Primärspule angeordnet. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Ferrit zwischen der Welle und der Sekundärspule angeordnet. Ebenfalls bevorzugt ist der mindestens eine Ferrit zwischen dem Spulenträger und der Primärspule angeordnet. Der mindestens eine Ferrit richtet vorteilhaft das Magnetfeld aus, wodurch Wirbelstromverluste reduziert und eine höhere Effizienz bei der Energieversorgung und Datenübertragung erreicht werden kann. Somit ist es möglich die Primär- und/oder Sekundärspule kleiner zu dimensionieren. Dies hat den weiteren Vorteil, dass auch rotierende beziehungsweise rotierbare Systeme mit nur kleinem Bauraum mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet werden können.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Primärspule und/oder die Sekundärspule als Ringspule ausgebildet, die beispielsweise konzentrisch um die Welle angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Primärspule und/oder die Sekundärspule als planare Rechteckspule ausgebildet, die beispielsweise konzentrisch um die Welle angeordnet sind. Eine solche Spulenanordnung kann beispielsweise vorteilhaft über gedruckte Leiterbahnen erstellt werden. So können Leiterbahnen auf flexiblen Trägern angebracht und anschließend konzentrisch um die Welle angeordnet werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Transponder ein RFID-Tag. In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Transponder ein NFC-Tag.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Transponder einen Datenspeicher.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Transponder einen Prozessor.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Prozessor ein Mikroprozessor oder ein Microcontroller.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Transponder eine Energieregeleinheit. Die Energieregeleinheit kann insbesondere für das Energiemanagement bei einer permanenten Energieversorgung und/oder der Weiterleitung der Energie zu weiteren Stromverbrauchern, wie Sensorikelementen, konfiguriert sein.
Weiterer Aspekte der vorliegenden Erfindung sind ein Sensortretlager mit einer Vorrichtung zur Energieversorgung und Datenübertragung wie zuvor und nachstehend beschrieben, sowie ein Fahrrad mit einem solchen Sensortretlager.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Figur dargestellt.
Die Figur zeigt in einer Prinzipdarstellung den Aufbau der Vorrichtung um eine Welle.
Figur zeigt in einer Prinzipdarstellung den Aufbau der Vorrichtung 100 um eine Welle 110. Die Welle 110 umfasst einen Ferrit 120. Der Ferrit 120 ist in der Figur als ein dick dargestellter Kreis um die Welle 110 illustriert. Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Sekundärspule 115, beispielsweise eine Empfangsspule, die ebenfalls an der Welle 110 angeordnet ist. Die Sekundärspule 115 ist als etwas dünnerer dargestellter Kreis als nächstes zum Ferrit 120 illustriert. Die Vorrichtung 100 umfasst weiter einen Spulenträger 130 der konzentrisch um die Welle 110 angeordnet ist und eine Primärspule 115, beispielsweise eine Sendespule, trägt. Die Primärspule 115 erzeugt ein Magnetfeld in dem die Sekundärspule 115 rotieren kann. Der Ferrit 120 richtet das Magnetfeld aus. Der Spulenträger 130 kann bei einem Tretlager eines Fahrrads beispielsweise das Lagergehäuse sein. Es kann auch ein beliebig anderes Bauteil sein, das für das Tragen einer Spule geeignet ist. Zwischen Primärspule 135 und Sekundärspule 115 ist ein Abstand 150. Der Abstand 150 kann entstehen, wenn die Welle 110 an zwei Lagerstellen gelagert ist, und damit beispielsweise ein beabstandeter Bereich zwischen der Welle 110 und einem Lagergehäuse entsteht. Der Abstand 150 kann wenige Zentimeter oder unter 1 cm betragen. Weiter sind die Primärspule 135 und die Sekundärspule 115 derart voneinander beabstandet und konzentrisch um die Welle zueinander angeordnet, dass Signale und Energie übertragbar sind. Somit ist Vorrichtung 100 dazu geeignet drahtlos Energie beziehungsweise Daten mittels beispielsweise dem NFC-Standard zu übertragen beziehungsweise auszutauschen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung
110: Welle
115: Sekundärspule
120: Ferrit
130: Spulenträger
135: Primärspule
150: Abstand

Claims

Vorrichtung (100) zur drahtlosen Energieversorgung und Datenübertragung für einen Transponder in einem rotierbaren System, umfassend: – eine Welle (110), – einen Spulenträger (130), der in einem Abstand zur Welle (110) angeordnet ist, – eine Primärspule (135), wobei die Primärspule (135) an dem Spulenträger (130) angeordnet ist, und wobei die Primärspule (135) ein Magnetfeld erzeugt, – eine Sekundärspule (115), wobei die Sekundärspule (115) an der Welle (110) angeordnet ist, und wobei die Sekundärspule (115) in dem Magnetfeld rotierbar ist, – und wobei die Primärspule (135) und die Sekundärspule (115) derart voneinander beabstandet und konzentrisch um die Welle zueinander angeordnet sind, dass Signale und Energie übertragbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mindestens einen Ferrit (120) umfasst, und wobei der mindestens eine Ferrit (120) an der Sekundärspule (115) und/oder an der Primärspule (135), insbesondere zwischen der Welle (110) und der Sekundärspule (115) und/oder zwischen dem Spulenträger (130) und der Primärspule (135), angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Primärspule und/oder die Sekundärspule als Ringspule ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Primärspule und/oder die Sekundärspule als planare Rechteckspule ausgebildet sind.
Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Transponder ein RFID-Tag oder ein NFC-Tag ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Transponder einen Datenspeicher umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Transponder einen Prozessor, insbesondere einen Mikroprozessor oder einen Microcontroller, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Transponder eine Energieregeleinheit umfasst.
Ein Sensortretlager umfassend eine Vorrichtung zur Energieversorgung und Datenübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrrad mit einem Sensortretlager nach Anspruch 9.