Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Koppelanordnung zur kabellosen Sig nalübertragung im Bereich von Maschinenelementen, vorzugsweise eines Getriebes oder Elektromotors.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Kraftfahrzeugtech nik. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder sogenannten E-Bikes werden Komponenten des Antriebstrangs - wie insbesondere Elektromotoren, Getrie ben, Transmissionswellen, Rotoren, Aktoren - meist unter Verwendung von Sensoren geregelt betrieben oder einer sensortechnischen Zustandsüberwachung unterzogen. Hierfür kommen zustandsüberwachende Sensoren im Bereich von Zahnrädern, La gern, Kupplungen und dergleichen zum Einsatz, welche vornehmlich die Bauteiltempe ratur, daneben jedoch auch Schwingungen, Spannungen, Drehmomente, Beschleuni gungen, Winkel, Drehzahlen, magnetische Feldstärken und dergleichen messen, um diese einer gewöhnlich außenliegenden elektronischen Auswerteeinheit zur Signalaus wertung, beispielsweise im Rahmen eines so genannten Condition Monitoring Systems zur Verfügung zu stellen.

Die Signalübertragung zwischen den Sensoren und der elektronischen Auswerteeinheit kann dabei störungssicher drahtgebunden erfolgen, sofern eine Signalübertragung nicht zwischen relativ zueinander bewegten, insbesondere drehenden, Bauteilen statt findet. Es existieren zwar elektrische kontaktgebundene Drehdurchführungseinheiten; diese sind jedoch aufgrund des mechanischen Schleifkontaktprinzips recht störanfällig und wartungsgebunden. Die vorliegende Erfindung widmet sich dagegen der Thematik einer kabellosen Signalübertragung, welche beispielsweise per Funk, Infrarot oder der gleichen realisiert werden kann. Daneben lässt sich die erfindungsgemäße Lösung auch im Rahmen anderer Antriebsstränge, beispielsweise bei Windenergieanlagen, einsetzen. Stand der Technik

Aus der DE 10 2014 200 639 A1 geht ein System zur Ermittlung von Zustandsdaten eines Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes, umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit mit einem Sensor und einem RFID-Reader hervor. H ier wird nur allgemein vorgeschlagen, dass der RFID-Reader an einem ersten Getriebeteil angeordnet und die RFID-Sensoreinheit an einem zweiten Getriebeteil angeordnet ist, das gegenüber dem ersten Getriebeteil relativ bewegbar ist. Eine derartige kabellose Signalübertragung setzt eine störungsfreie Funkstrecke voraus, welche nicht durch an grenzende Bauteile oder äußere Einflüsse beeinträchtigt werden kann.

Aus der WO 2021 1004568 A1 geht eine elektrische Antriebsmaschine, Getriebe, Ver brennungsmotor und Kombinationen hieraus hervor, welche mit mehreren zustands überwachenden Sensoren zur Bildung eines Sensornetzwerks bestückt sind. Die Sen soren des Sensornetzwerks sind an bevorzugt unterschiedlichen Positionen in der Ma schine angeordnet und jeweils zur Messung einer physikalischen Größe vorgesehen. Hierfür sind die einzelnen Sensoren jeweils elektrisch drahtlos mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden, welche die drahtlos empfangenen Signale der Sensoren verarbeitet. Bei der Konzeption für die Anordnung der Sensoren ist auch hier auf unter brechungsfreie Funkstrecken zu achten.

In der Praxis ist es jedoch nicht immer möglich, die zustandsüberwachenden Sensoren derart in die Maschine zu integrieren, dass eine unterbrechungsfreie kabellose Signal übertragung, insbesondere zwischen sich relativ zueinander drehenden Maschinenele menten aus tiefen Maschinenstrukturen heraus, gewährleistbar ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektronische Koppelanord nung zur kabellosen Signalübertragung im Bereich von Maschinenelementen zu schaf fen, welche mit einfachen technischen Mitteln eine zuverlässige Weiterleitung von Sen sorsignalen an eine externe elektronische Auswerteeinheit sicherstellt. Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch eine elektrische Koppelanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Anspruch 10 gibt als bevorzugte Anwendung ein Getriebe oder einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Koppelanordnung an. Die abhängigen An sprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine elektrische Koppelanord nung zur kabellosen Signalübertragung im Bereich eines Hohlraums eines zumindest teilweise hohlen Maschinenelements ein mit einem im oder am Maschinenelement an geordneten Sensor verbundenes senderseitiges stiftförmiges Koppelelement umfasst, welches zumindest teilweise in den Hohlraum hineinragt, und welches über eine hohl rauminterne Übertragungsstrecke, vorzugsweise über eine Luftstrecke oder Öl strecke oder dergleichen flüssiges Medium, mit einem empfängerseitigen stiftförmigen Kop pelelement korrespondiert, das vorzugsweise ebenfalls zumindest teilweise in den Hohlraum hineinragt. Die Koppelelemente könne jedoch auch bündig mit der diese um gebenden Aufnahmeausnehmung im jeweils tragenden Bauteil abschließen oder hierin eingezogen montiert sein. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung auch einen Tausch von Sender- und Empfängerseite oder eine gleichzeitige Sender/Empfängereigenschaft der miteinander korrespondierenden Koppelelemente zum bidirektionalen Datenaustausch beinhaltet. Vorzugweise ist das senderseitige stift förmige Koppelelement funktionsgerecht rechtwinklig oder schräg verlaufend bezüglich des empfängerseitigen stiftförmigen Koppelelements angeordnet.

Mit anderen Worten bezieht sich die erfindungsgemäße Lösung also auf eine elektri sche Koppelanordnung zur kabellosen Signalübertragung, bei der das Signal im Inne ren eines mindestens teilweise hohlen Maschinenelements aus vorzugsweise Metall übertragen wird. Dabei können auch die Sensorsignale mehrerer auf dem Maschinen element angeordneter Sensoren über eine oder mehrere in den Hohlraum hineinra gende Antennen dort hinein gesendet werden und die empfängerseitige Antenne nimmt die gesendeten Signale aus dem Hohlraum auf und leitet diese an eine externe elekt ronische Auswerteeinheit weiter.

Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere geeignet für die Erfassung von Sen sorsignalen auf drehenden Bauteilen. Das mindestens eine senderseitige stiftförmige Koppelelement sowie das empfängerseitige stiftförmige Koppelelement können als An tennen sehr kompakt und mit wenig Aufwand in den Hohlraum des Maschinenelements integriert werden. Besonders in einem zylindrischen Hohlraum kann eine sehr homo gene Ausbreitung der Funkwellen und somit eine hohe Signalqualität gewährleistet wer den. Vorteilhaft ist es, wenn die sender- und empfangsseitigen Koppelelemente mög lichst dicht zueinander angeordnet sind. Zudem können die Koppelelemente mit einer Isolationsschicht ummantelt sein, um einen Schutz vor äußeren Einflüssen zu gewähr leisten, und um das Koppelelement elektrisch und/oder magnetisch vom Maschinene lement zu entkoppeln.

In besonders vorteilhafter Weise lässt sich die erfindungsgemäße Lösung somit zur ka bellosen Erfassung von beispielsweise Rotortemperaturen eines Traktionsmotors ein- setzen. Bei zu hohen Temperaturen im Rotor kommt es zu einer Entmagnetisierung der Magnete und so zu einer Beschädigung des Elektromotors. Aus diesem Grund wird bislang auf ein aufwändig teureres Magnetmaterial zurückgegriffen, auch um einer sol chen Entmagnetisierungsneigung entgegenzuwirken.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die Temperatur jedoch direkt an den Magne ten gemessen werden und die maximal erlaubte Temperatur exakt angesteuert werden. Ein weiterer Nutzen in Bezug auf die Ermittlung der Rotortemperatur stellt sich im Hin blick auf die Berechnung des Drehmoments des Elektromotors dar. Das Drehmoment des Elektromotors wird gewöhnlich über Kennfelder ermittelt, in denen die Rotortempe ratur eine wichtige Einflussgröße darstellt. Durch die mit einer kabellosen Temperatur sensorik messbare Rotortemperatur kann das Drehmoment genauer berechnet wer den. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Temperatur von temperaturkritischen Ge triebebauteilen, insbesondere von Lagern, zu überwachen und diese bedarfsgerecht zu kühlen. Dies verringert infolgedessen den Ölbedarf und damit auch die mit einer Öl druckschmierung gewöhnlich einhergehenden Planschverluste.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es beispielsweise in Umsetzung eines Sen sornetzwerkes viele Temperatursensoren mit geringem Aufwand an beliebiger Stelle eines Elektromotors oder eines Getriebes zu integrieren, und deren Messwerte über eine zentrale elektronische Auswerteeinheit zu erfassen und anwendungsspezifisch zu verarbeiten. Hierdurch lässt sich eine optimale Systemregelung realisieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das senderseitige stiftförmige Koppelelement rechtwinklig oder schräg verlaufend be züglich des empfängerseitigen stiftförmigen Kopplungselements angeordnet ist. Dies führt insbesondere dann zu einer zuverlässigen Signalübertragung, wenn der Hohlraum zylindrisch ausgebildet ist und das empfängerseitige stiftförmige Koppelelement koaxial zur Längsachse des zylindrischen Hohlraums verläuft. Unter dieser Voraussetzung sollte das senderseitige stiftförmige Koppelelement dann rechtwinklig oder schräg hierzu verlaufen, vorzugsweise innerhalb einer in den Hohlraum einmündenden Radi albohrung.

Zur weiteren Verbesserung der Signalübertragungsqualität wird vorgeschlagen, dass die Axialerstreckung des empfängerseitigen stiftförmigen Koppelelements bis hin zur Eintrittsposition und/oder dem distalen Ende des senderseitigen stiftförmigen Kop pelelements in den Hohlraum reicht. Dabei sollten sich die miteinander korrespondie renden Koppelelemente jedoch nicht berühren.

Sowohl das empfängerseitige als auch das senderseitige stiftförmige Koppelelement können vorzugsweise als Stab, Rohr, Hülse oder Spirale ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Länge des senderseitig stiftförmigen Koppelelements und/oder des empfängerseitig stiftförmi gen Koppelelements ein Vielfaches der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der kabello sen Signalübertragung beträgt. Hierfür kann beispielsweise nach einem Viertel, die Hälfte oder Dreiviertel der Wellenlänge dimensioniert werden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass zum Schutz vor einem ungewollten Verformen insbesondere des empfängerseiti gen stiftförmigen Koppelelements ein dieses umgebendes und gegenüber dem Hohl raum abstützendes nicht-magnetisches und/oder nicht-elektrisches Lagerelement vor gesehen ist. Hierfür genügt eine simple Kunststoffscheibe, welche außenrandseitig im zylindrischen Hohlraum des Maschinenelements eingeklebt ist und durch dessen zent ralen Durchbruch das stiftförmige Koppelelement hindurchragt.

Die kabellose Signalübertragung kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung auf einer SAW- oder RFID-Technologie basieren. Als Arbeitsfrequenz kommen vorzugs weise die ISM-Bänder 13,5 MHz, 433 MHz, 668 MHz, 2,4 GHz oder 5 GHz oder andere Standard-Funkbänder, beispielsweise das SDR-Band in Betracht. Gemäß einer bevorzugten Anwendungsform ist das zumindest teilweise hohle Maschi nenelement eine Hohlwelle einer Zahnradpaarung oder einer Antriebswelle im Rahmen eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs oder einer Windenergieanlage. Die erfin dungsgemäße Lösung macht sich insoweit die Hohlraumstruktur dieses in erster Linie aus Gewichtseinspargründen zum Einsatz kommenden Maschinenelements zunutze, um eine mechanisch geschützte und signalübertragungstechnisch zuverlässige Senso ranwendung zu schaffen.

Ferner sei erwähnt, dass das Maschinenelement vorzugsweise drehbar gelagert ist, das empfängerseitige Koppelelement vorzugsweise ortsfest an einem Gehäuse befes tigt ist, die Auswerteeinheit als ein sogenannter Reader ausgeführt sein kann, und dass ein sogenanntes Energy Harvesting Modul zur Energieversorgung insbesondere des senderseitigen Koppelelements verwendet werden kann.

Detailbeschreibung anhand Zeichnung

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine auf einer Hohlwelle ange ordneten Zahnradpaarung mit einem Sensor zur Temperaturerfassung, der über eine elektrische Koppelanordnung der Erfindung angeschlossen ist,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit mit hierin integrierter elektrischer Koppelanordnung gemäß einer ersten Aus führungsform, und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit mit hierin integrierter elektrischer Koppelanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 bildet eine eine Zahnradpaarung tragende Hohlwelle 1 einen zylindri schen Hohlraum 2 aus, in den ein senderseitiges stiftförmiges Koppelelement 3 in Qu errichtung hineinragt, welches über eine Übertragungsstrecke 6 als Dielektrikum mit einem empfängerseitigen stiftförmigen Koppelelement 4 zur Bildung einer kabellosen Signalübertragungsstrecke zusammenwirkt. Das empfängerseitige stiftförmige Kop pelelement 4 ist dabei koaxial zur Hohlwelle 1 angeordnet.

Im Zahnradbereich außerhalb der Hohlwelle 1 ist ein Sensor 5 zur Erfassung der Bau teiltemperatur angeordnet, an welchem das senderseitige stiftförmige Koppelelement 3 als Antenne angebracht ist. Das hiermit empfängerseitig korrespondierende stiftförmige Koppelelement 4 ragt größtenteils in den Hohlraum 2 der Hohlwelle 1 hinein und ist mit einer - hier nicht weiter dargestellten - elektronischen Auswerteeinheit verbunden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das senderseitige stiftförmige Koppelelement 3 spi ralförmig ausgebildet, während das empfängerseitige stiftförmige Koppelelement 4 als Stab ausgebildet ist, welcher von einem ortsfesten Gehäuse 7 getragen ist.

Gemäß Fig. 2 ist an einem mehrstufigen Getriebe 10 ein Elektromotor 11 angeflanscht, welcher aus einem Stator 12 und einem Rotor 13 besteht, der über eine als Hohlwelle ausgebildete Motorwelle 14 verfügt. Ein erster Sensor 5‘ misst die Temperatur des Ro tors 13 und leitet diese über ein senderseitiges stiftförmiges Koppelelement 3‘ über den Hohlraum der Motorwelle 14 an ein erstes empfängerseitig stiftförmiges Koppelelement 4‘ weiter. Außerdem ist in der ebenfalls als Hohlwelle ausgebildeten Getriebeeingangs welle 15 eine Mehrzahl weiterer Sensoren 5“ (exemplarisch) im Bereich der dortigen Wälzlager und Zahnräder angeordnet, welche über je zugeordnete senderseitige stift förmige Koppelelemente 3“ (exemplarisch) mit einem koaxial in die Hohlwelle einge setzten empfängerseitigen stiftförmigen Koppelelement 4“ korrespondieren. Analog dasselbe ist bei der Getriebeausgangswelle 16 mit den Sensoren 5‘“, den je zugeord neten senderseitigen stiftförmigen Koppelementen 3‘“ und dem als gemeinsame An tenne dienenden empfängerseitigen stiftförmigen Koppelelement 4‘“ realisiert. Alle empfängerseitig stiftförmigen Koppelelemente 4‘, 4“ und 4‘“ sind an eine außenlie gende elektronische Auswerteeinheit 100 angeschlossen.

Gemäß Fig. 3 wird im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein gemeinsames empfängerseitiges stiftförmiges Koppelelement 4‘ für sowohl den Sensor 5‘ des Elektromotors 11 als auch die Sensoren 5“ (exemplarisch) der koaxial hierzu verlaufenden Getriebeeingangswelle 15 des Getriebes 11 verwendet. Wegen der hieraus resultierenden Überlänge dieses empfängerseitig stiftförmigen Koppelements 3‘ ist in die durchgängige Hohlwelle ein zusätzliches Lagerelement 8 eingefügt, das unter Wahrung einer Spielpassung von dem überlangen empfängerseitigen stiftförmi gen Koppelelement 4‘ durchdrungen wird. Ansonsten entspricht dieses Ausführungs beispiel dem vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend detailliert beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, anstelle einer Hohlwelle einen Hohlraum eines anderen zumindest teil weise hohlen Maschinenelements zur Unterbringung der erfindungsgemäßen elektri schen Koppelanordnung zu nutzen.

Bezuqszeichenliste Hohlwelle Hohlraum senderseitiges stiftförmiges Koppelelement empfängerseitiges stiftförmiges Koppelelement Sensor Übertragungsstrecke Gehäuse Lagerelement Getriebe Elektromotor Stator Rotor Motorwelle Getriebeeingangswelle Getriebeausgangswelle elektronische Auswerteeinheit