Stand der Technik Zur Kontaktierung ortsveränderlicher Einrichtungen wer- den oft mechanische Steckverbindungen eingesetzt. Der- artige mechanische Kontaktsysteme sind in einer breiten Typenvielfalt auf dem Markt. Regelmäßig muß ein relativ hoher Aufwand betrieben werden, um die Kontaktsysteme vor Umwelteinflüssen zu schützen. Hier stellen Aspekte wie Berührungsschutz, Schutz vor eindringenden Flüssig- keiten, wie Wasser, Öl oder auch Feuchtigkeit eine wichtige Rolle. Besondere Anforderungen werden in exp- losionsgeschützten Bereichen gestellt. Um solchen An- forderungen gerecht zu werden, müssen die Kontaktein- richtungen in aufwendiger und kostenintensiver Weise gekapselt werden. Dadurch vergrößert sich die Bauform wesentlich und die Handhabung wird erschwert. Gerade bei häufigen Steckzyklen weisen solche Steckverbinder gravierende Nachteile auf. Hinzu kommt noch ein mecha- nischer Verschleiß der Kontakte, der sich zunächst in einem höheren Übergangswiderstand bis hin zum Totalaus- fall äussert.

Eine wesentliche Verbesserung stellen hier kontaktlose Verbindungssysteme dar. Kontaktlose auf induktiver Kop- pelung basierende Übertragungssysteme sind in vielfäl- tigen Ausführungen bekannt. Beispielhaft in der DE 197 01 357 AI ist ein auf induktiver Koppelung basierendes System beschrieben. Es vermeidet den Hauptnachteil kon- taktierender Systeme, hat jedoch relativ hohe Herstel- lungskosten. Hier ist für jede Übertragungseinrichtung ein eigener Wechselspannungsgenerator und auf der ent- gegengesetzten Seite ein entsprechender Gleichrichter notwendig. Gerade bei Anlagen mit einer hohen Anzahl von Kontakteinrichtungen führt dies zu sehr hohen Kos- ten.

Ein weiterer Nachteil derartiger Anordnungen, wie sie beispielsweise in der DE 41 25 145 Al beschrieben ist, ist die Forderung nach einer relativ festen Kopplung mit niedriger Streuinduktivität zwischen den beiden Kontaktpartnern. Gerade bei konventionellen Schaltungs- anordnungen zur induktiven Übertragung stellt sich die Streuinduktivität, welche auch im Ersatzschaltbild als Serieninduktivität dargestellt werden kann, als störend heraus, da ihre Impedanz den maximal übertragbaren Strom begrenzt. Ein streuinduktivitätsarmer Aufbau setzt aber einen möglichst geringen Luftspalt zwischen den Übertragungselementen voraus. Dies bedeutet meist einen hohen mechanischen Aufwand und geringe Flexibili- tät beim Einsatz.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord- nung zur kontaktlosen Übertragung anzugeben, welche insbesondere bei einer großen Anzahl von Übertragungs- stellen kostengünstig realisierbar ist, wobei gleich- zeitig ein größerer Luftspalt zwischen den Übertra- gungspartnern tolerierbar sein soll.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa- tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

In dieser Darstellung wird für das magnetische Medium gleichbedeutend der Begriff Kern, Ferritkern oder auch Eisenkern gebraucht. Dieser bezeichnet im allgemeinsten Fall ein magnetisches Medium mit Ar >1. Ebenso wird nicht ausdrücklich zwischen Signal-und Energieübertra- gung unterschieden, da ohne Energie kein Signal über- tragen werden kann und übertragene Energie auch Infor- mation enthalten kann.

Diese erfindungsgemäße Anordnung besteht aus mehreren Resonanzübertragern, basierend auf induktiver Kopplung.

Dazu werden die einzelnen induktiven Übertrager zu re- sonanzfähigen Elementen ergänzt. Dies kann eine einzel- ne Kapazität für alle Induktivitäten oder auch eine An- ordnung, bei der jeder einzelnen Induktivität bzw. ei- ner Gruppe von Induktivitäten jeweils eine Kapazität zugeordnet ist. Diese werden dann vorzugsweise von ei- ner gemeinsamen Speisevorrichtung gespeist. Diese Spei- sevorrichtung enthält eine Vorrichtung, welche die Wechselspannungs-bzw. Stromquelle derart ansteuert, dass diese auf einer Resonanzfrequenz der Übertragungs- anordnung arbeitet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die parasitären Kapazitäten der in- duktiven Koppelelemente derart ausgestaltet sind, dass sie einen nennenswerten Anteil zur Resonanzkapazität beitragen. Im Extremfall sind diese parasitären Kapazi- täten so hoch, dass auf Resonanzkapazitäten vollständig verzichtet werden kann. Hierzu läßt sich die ohnehin vorhandene Wicklungskapazität vorteilhaft ausnutzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung werden die induktiven Koppelelemente durch ent- sprechende Kapazitäten zu Serienresonanzkreisen er- gänzt. Diese Ausgestaltung der Serienresonanzkreise kann wahlweise auf der Primär-oder Sekundärseite bzw. auf beiden Seiten des induktiven Koppelelements erfol- gen. Neben einer Serienresonanz der Schaltung ergibt sich meist mindestens eine weitere Parallelresonanz.

Wesentlich ist bei dieser Anordnung aber, dass die Speisevorrichtung derart gestaltet ist, dass eine Spei- sung in der Nähe der Serienresonanzfrequenz erfolgt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die induktiven Übertragungselemente durch entspre- chend parallel geschaltete Kapazitäten zu Parallelreso- nanzkreisen ergänzt werden. Diese Ergänzung kann je- weils wahlweise auf primär, sekundär oder auch auf bei- den Seiten der induktiven Koppelelemente erfolgen. Ne- ben einer Parallelresonanz der Schaltung ergibt sich meist mindestens eine weitere Serienresonanz. Wesent- lich ist bei dieser Anordnung aber, dass die Speisevor- richtung derart gestaltet ist, dass eine Speisung in der Nähe der Parallelresonanzfrequenz erfolgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung sind zusätzliche kapazitive Koppelelemente zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein noch nicht zur Energieübertragung verwendeter magneti- scher Pfad des induktiven Koppelementes zur Übertragung weiterer Informationen verwendet. Dies kann beispiels- weise die äußere Fläche des Kerns sein, wobei dann der magnetische Fluß weiter über die Umgebung des Kernes durch Luft erfolgt. Im Falle eines mehrschenkligen Ker- nes kann der magnetische Fluß über die beiden äußeren Schenkel oder weitere erfolgen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Modulations-bzw. Demodulationseinheit zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen in welchem die Infor- mationen mittels einer Trägerfrequenz moduliert bzw. demoduliert werden, die hinreichend von den Frequenzen der Speisevorrichtung hinreichend weit entfernt ist.

Eine solche Übertragung weiterer Informationen in einem anderen Frequenzband als das zur Energieübertragung verwendete Frequenzband ist hier problemlos möglich, da die Energie durch die Resonanzkreise nur schmalbandig übertragen wird. Damit kann durch das selbe Koppelele- ment im selben magnetischen Pfad wie die Energieüber- tragung eine Informationsübertragung erfolgen. Aber auch im Falle einer Übertragung mittels kapazitiver Koppelflächen als auch bei der Übertragung durch einen anderen magnetischen Pfad schafft diese Anordnung einen vergrößerten Störabstand.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass diese kapazitiven Koppelelemente im unmittelbaren Koppelbereich der induktiven Koppelelemente angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung ist ein sehr platz- sparender Aufbau möglich, da für die kapazitive Kop- peleinrichtung kein zusätzlicher Platz benötigt wird.

Eine solche Anordnung der kapazitiven Koppelelemente im magnetischen Feld der induktiven Übertragungseinrich- tung ermöglicht eine unabhängige Übertragung beider Signale. Dies ist in der erfindungsgemäßen Anordnung problemlos möglich, da sich elektrische und magneti- schen Felder gegenseitig nicht beeinflussen. Wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung die kapazitive Koppeleinrichtung hier als Leiter- platte ausgeführt, so bietet sie einen zusätzlichen me- chanischen Schutz der induktiven Koppeleinrichtung. Im Gegensatz zu der in der deutschen Offenlegungsschrift DE 4125145 dargestellten Anordnung, stellt die erfin- dungsgemäße Anordnung eine vollständige Abdeckung des induktiven Koppelelements dar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung ist das Steuerelement derart gestaltet, dass es zusammen mit der Wechselspannungs-bzw. Stromquelle und den Resonanzkreisen einen selbstschwingenden Leistungs- oszillator ergibt. Das Prinzip einer solchen Anordnung ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 01357 beschrieben.

In einer anderen Ausgestaltung gibt das Steuerelement eine feste Frequenz für die Wechselspannungs-bzw.

Stromquelle vor.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung ist auf der Empfängerseite bei zumindest einem Empfänger eine Schaltung, bestehend aus einem Gleich- richter mit nachgeschaltetem Linearregler vorgesehen.

Damit kann die Welligkeit der übertragenen Spannung re- duziert und diese auf einen konstanten Wert geregelt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung ist ein Synchrongleichrichter eingesetzt, wel- cher durch einen entsprechenden Phasencontroler gesteu- ert wird. Derartige Synchrongleichrichter haben den Vorteil, dass sie mit aktiven geschalteten Elementen wesentlich niedrigere Verluste erreichen als passive Gleichrichter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung ist bei mindestens einem Empfänger ein Syn- chrongleichrichter mit einer Phasensteuerung vorgese- hen, welcher mit Hilfe des Phasencontrolers den Leis- tungsfluss aus der sekundärseitigen Schaltung steuert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung ist bei mindestens einem Empfänger ein Gleich- richter mit nachgeschaltetem Schaltregler zum besonders verlustarmen Umsetzen der Ausgangsspannung in andere Werte vorgesehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla- risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er- findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen : Fig. 1 Beispielhaftes Schaltbild einer erfindungsgemä- gen Anordnung mit Parallelresonanzkreisen Fig. 2 Schematischer mechanischer Aufbau einer erfin- dungsgemäßen Anordnung Fig. 3 Aufbau einer kombinierten Anordnung mit indukti- ver und kapazitiver Übertragung Fig. 4 Beispielhafte Anordnung mit Serienresonanzkrei- sen Fig. 5 zeigt eine bespielhafte Anordnung mit einem Gleichrichter und nachgeschaltetem Linearregler Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Anordnung mit einem Syn- chrongleichrichter Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Gleich- richters mit nachgeschaltetem Schaltregler.

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli- cher Signalübertragung im Falle eines geschlos- senen Eisen-bzw. Ferritkernes Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli- cher Signalübertragung im Falle eines mehr- schenkligen Eisen-bzw. Ferritkernes.

Darstellung von Ausführungsbeispielen In Fig. 1 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Anord- nung dargestellt. Im Sender speist eine Wechselspan- nungsquelle mit einem integrierten Steuerelement (1) die induktiven Koppelelemente, welche jeweils aus einer Primärwicklung (2,3,4) und einer Sekundärwicklung (22,23,24) bestehen. Dabei sind mehrere Primärwick- lungen an jeweils einen Sender gekoppelt und die Sekun- därwicklungen eigenständigen mit den Sendern im losen mechanischen Kontakt stehenden Empfängern zugeordnet.

Um eine parallelresonanzfähige Schaltung zu erhalten, wird die Induktivität wahlweise auf der Primärwicklung und/oder auf der Sekundärwicklung zu einem Parallelre- sonanzkreis mit entsprechenden Kapazitäten ergänzt. Die Kapazitäten auf der Primärseite (12,13,14) sind dem Sender zugeordnet, während die sekundärseitigen Kapazi- täten (32,33,34) jeweils einem Empfänger zugeordnet sind.

Fig. 2 zeigt beispielhaft schematisch einen mechani- schen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung. Hierin ist erkennbar, wie die einzelnen Empfänger den entspre- chenden Positionen des Senders zugeordnet sind, so dass eine magnetische Kopplung der primärseitigen Induktivi- täten, bestehend aus einem Ferrit-oder Eisenkern (50, 51) sowie den zugehörigen Primärwicklungen (2,3) und den mit diesen korrespondierenden sekundären Induktivi- täten, bestehend aus den Ferrit-oder Eisenkernen (40, 41) und den zugehörigen Wicklungen (22,23).

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer kombinierten Anordnung mit induktiver und kapazitiver Übertragung. Hierbei korrespondieren der primärseitige Ferritkern (51) mit dem sekundärseitigen Ferritkern (50). Zwischen den bei- den Kernhälften ist auf jeder Seite eine Leiterplatte, welche Leiterstrukturen zur kapazitiven Signalübertra- gung enthält, angeordnet. Diese Leiterplatten befinden sind im geringen Abstand zueinander, so dass durch die entstehende hohe Kapazität zwischen der Sender-und Empfängerseite elektrische Signale übertragen werden können. Beispielhaft ist hier eine Anordnung aus zwei Leiterflächen (61,62) in der Draufsicht dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit Serienre- sonanzkreisen. Im Sender speist eine Wechselspannungs- quelle mit einem integrierten Steuerelement (1) die in- duktiven Koppelelemente, welche jeweils aus einer Pri- märwicklung (2,3,4) und einer Sekundärwicklung (22, 23,24) bestehen. Dabei sind mehrere Primärwicklungen an jeweils einen Sender gekoppelt und die Sekundärwick- lungen eigenständigen mit den Sendern im losen mechani- schen Kontakt stehenden Empfängern zugeordnet. Um eine parallelresonanzfähige Schaltung zu erhalten, wird die Induktivität wahlweise auf der Primärwicklung und/oder auf der Sekundärwicklung zu einem Parallelresonanzkreis mit entsprechenden Kapazitäten ergänzt. Die Kapazitäten auf der Primärseite (12,13,14) sind dem Sender zuge- ordnet, während die sekundärseitigen Kapazitäten (32, 33,34) jeweils einem Empfänger zugeordnet sind.

Fig. 5 zeigt eine typische Anordnung einer sekundärsei- tigen Beschaltung entsprechend der Erfindung. Hier dient die Sekundärwicklung (22) zur Auskoppelung der elektrischen Signale. Die entsprechende Parallelreso- nanzkapazität, wie hier beispielsweise im Falle einer Parallelresonanz dargestellt, ist durch den Kondensator (32) realisiert. Das am Parallelresonanzkreis anliegen- de Signal wird mittels einer Diode (80) gleichgerichtet und in dem Kondensator (81) gesiebt. Ein nachfolgender Linearregler (82) übernimmt die Regelung der Ausgangs- spannung.

Fig. 6 zeigt beispielhaft eine entsprechende Schaltung einer Sekundärseite im Falle einer Parallelresonanz mit einem Synchrongleichrichter. Das Signal wird über die sekundärseitige Induktivität (22) ausgekoppelt. Diese erzeugt zusammen mit der Parallelkapazität (32) einen Parallelresonanzkreis. In diesem Fall besteht bei- spielsweise der Synchrongleichrichter aus einem gesteu- erten MOS-FET (83) welcher über eine Steuereinheit (84) angesteuert wird. Das Ausgangssignal wird über einen Kondensator (85) geglättet.

Fig. 7 zeigt beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einem Schaltregler am Ausgang der sekun- därseitigen Beschaltung. Hierbei erfolgt die Signalaus- kopplung wieder mittels einer Sekundärinduktivität (22) welche über die dieser parallel geschaltete Kapazität (32) zu einem Parallelresonanzkreis ergänzt wird. Das Signal am Parallelresonanzkreis wird über eine Schott- ky-Diode (80) gleichgerichtet und über einen ersten Filterkondensator (81) gefiltert. Die anschließende Re- gelung und Umsetzung in andere Spannungen erfolgt mit- tels eines getakteten Schaltreglers (83).

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli- cher Signalübertragung im Falle eines geschlossenen Ei- sen-bzw. Ferritkernes. Dabei ist der magnetsiche Kern der Primärseite (51) mit dem Kern der Sekundärseite (52) verkoppelt. Der magnetische Fluß zur Energieüber- tragung nach Anspruch ist durch die Linien (90) darge- stellt. Die Linien (91) zeigen den magnetischen Fluß zur Übertragung zusätzlicher Signale. Hier geht das Magnetfeld teilweise durch den Kern, teilweise aber auch durch die Umgebung des Kernes. In der Regel ist das Streufeld vernachlässigbar, da die magnetische Feldstärke zur Übertragung zusätzlicher Informationen wesentlich geringer ist als die Feldstärke der Energie- übertragung. Die Ein-und Auskopplung zur Übertragung zusätzlicher Informationen erfolgt über die Wicklungen (92) und (93).

Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit zusätzli- cher Signalübertragung im Falle eines mehrschenkligen Eisen-bzw. Ferritkernes Dabei ist der magnetische Kern der Primärseite (51) mit dem Kern der Sekundärsei- te (52) verkoppelt. Der magnetische Fluß zur Energie- übertragung nach Anspruch 1 ist durch die Linien (90) dargestellt. Die Linien (91) zeigen den magnetischen Fluß zur Übertragung zusätzlicher Signale. Die Ein-und Auskopplung zur Übertragung zusätzlicher Informationen erfolgt über die Wicklungen (92) und (93). In diesem Beispiel sind diese Wicklungen als Differenzwicklungen ausgeführt, so dass sich die durch den magnetischen Fluß zur Energieübertragung (90) entstehenden Spannun- gen aufheben.