DE102004031580B4

DE102004031580B4 - Anordnung zur berührungslosen induktiven Energieübertragung an bewegbare Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102004031580B4
Application number: DE102004031580A
Authority: DE
Inventors: Günter Becker; Leobald Podbielski; Josef Schmidt; Olaf Dr. Simon
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: DE102004031580A1

Abstract

Anordnung zur berührungslosen induktiven Energieübertragung an bewegbare Vorrichtungen,
umfassend ein langgestrecktes Primärleitersystem und eine oder mehrere relativ dazu bewegbare Vorrichtungen, welche jeweils mindestens eine induktiv an das Primärleitersystem gekoppelte Sekundärwicklung umfassen,
wobei das Primärleitersystem Hinleiter (7) und Rückleiter (6) umfasst,
wobei eine oder mehrere der bewegbaren Vorrichtungen mindestens eine bewegbare Kommunikationseinheit (3) umfassen,
wobei zumindest eine stationäre Kommunikationseinheit (2) unbeweglich zum Primärleitersystem angeordnet ist,
wobei der Hinleiter (7) im Verlauf einer Übertragungsstrecke (5) mindestens zweifach ausgebildet ist,
wobei Daten zwischen zwei der Hinleiter (7) durch die Kommunikationseinheiten (2, 3) hochfrequent induktiv aufmoduliert werden und innerhalb der Übertragungsstrecke (5) zwischen den Kommunikationseinheiten (2, 3) austauschbar sind und
wobei Hinleiter (7) und Rückleiter (6) zwei elektrische Schleifen bilden, die zum zweifach ausgebildeten Hinleiter (7) räumlich symmetrisch angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Energieübertragung an bewegbare Vorrichtungen.

Aus der DE 44 46 779 C2 ist eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung bekannt. Dabei ist als Hinleiter ein Mittelleiter etwa im Zentrum eines Außenleiters angeordnet und von diesem, als fast geschlossenes Gehäuse ausgebildeten Außenleiter teilweise umgeben. Im als Rückleiter eingesetzten Außenleiter fließt ein gleichgroßer Strom wie im Mittelleiter, der jedoch entgegengerichtet ist. Der Mittelleiter ist umfasst von einem U-förmig ausgebildeten Ferritkern, der eine Sekundärwicklung trägt und elektromagnetisch, insbesondere magnetisch, an den Primärkreis, umfassend zumindest Mittelleiter und Außenleiter, gekoppelt ist.

Aus der EP 0 818 868 B1 ist ein ähnliches System bekannt, bei dem allerdings ein Hin- und ein Rückleiter im Primärsystem verwendet sind. Wesentlich unterschiedlich ist der Übertragerkopf ausgebildet, da die Sekundärwicklung auf einem E-förmigen Kern aufgebracht ist.

Aus der EP 0 814 994 B1 , insbesondere den dortigen 5a, 5b und 5c, ist ein geschlitztes Koaxialkabel bekannt, das parallel zum Mittelleiter verlegt wird. Der bewegliche Teil umfasst eine Empfangsmittel, das den Datenaustausch zwischen beweglichem Teil und stationären Teilen ermöglicht mittels des Koaxialkabels und der Empfangsvorrichtung. Nachteilig ist dabei, dass ein kostspieliges Kabel zu verlegen ist und die Empfangsvorrichtung eine entsprechend ausgelegte und empfindliche, also aufwendig herzustellende und kostspielige Antenne umfassen muss.

Aus der EP 0 961 743 B1 , insbesondere Spalte 6 Absatz [0020] ist ein System bekannt, bei dem als Alternative Funkwellen vorgeschlagen werden. Nachteilig ist dabei, dass Funkwellen reflektiert werden und somit Übertragungsfehler entstehen können. Auch sind sogenannte Funklöcher, insbesondere in Anlagen mit metallischen Apparaten und Wänden, bekannt, in welchen der bewegliche Teil keinen Empfang aufweisen kann. Nachteiligerweise ist auch eine aufwendige Empfangsantennenvorrichtung und eine Sendeantennenvorrichtung.

Aus der DE 39 16 610 A1 ist eine Einrichtung zur Datenübertragung und Spurführung von Fahrzeugen bekannt, bei der sowohl eine Datenübertragung zwischen Fahrzeugen und fahrbahnseitigen Anlagen als auch die induktive Spurführung der Fahrzeuge gewährleistet wird bei geringer Kopplung der Systeme untereinander.

Aus der DE 102 16 422 A1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Energieversorgung und Führung eines beweglichen Objektes bekannt, bei der die für die Positionsbestimmung und Spurführung entlang einer Leiterschleife ohnehin benötigten Induktivitäten zugleich für den Datenempfang von einer Datenleitung benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Datenaustausch bei einem solchen System zur berührungslosen Energieübertragung in kostengünstiger Weise weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung an bewegbare Verbraucher nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung an bewegbare Verbraucher sind, dass ein langgestrecktes Primärleitersystem und eine oder mehrere relativ dazu bewegbare Vorrichtungen umfasst ist bzw. sind, welche jeweils mindestens eine induktiv an das Primärleitersystem gekoppelte Sekundärwicklung umfassen, wobei das Primärleitersystem Hinleiter und Rückleiter umfasst, wobei eine oder mehrere der bewegbaren Vorrichtungen mindestens eine Kommunikationseinheit umfassen und zumindest eine Kommunikationseinheit unbeweglich relativ zum Primärleitersystem angeordnet ist, wobei der Hinleiter im Verlauf einer Übertragungsstrecke mindestens zweifach ausgebildet ist, wobei Daten zwischen zwei der Hinleiter durch die Kommunikationseinheiten hochfrequent induktiv aufmoduliert werden und innerhalb der Übertragungsstrecke zwischen den Kommunikationseinheiten austauschbar sind und wobei Hinleiter und Rückleiter zwei elektrische Schleifen bilden, die zum zweifach ausgebildeten Hinleiter räumlich symmetrisch angeordnet sind.

Von Vorteil ist dabei, dass keine Funklöcher stören können und keine geschlitzten Koaxialkabel verlegt werden müssen. Die Verwendung zweier Hinleiter und Rückleiter ist sogar überraschend vorteilig, weil die Auswirkungen des Skin-Effektes verringerbar sind mittels der Verwendung zweier Hinleiter-Kabel und zweier Rückleiter-Kabel, also der Halbierung des Stromes im Hinleiter und auch Rückleiter.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Primärleitersystem von einer Mittelfrequenzstromquelle gespeist. Von Vorteil ist dabei, dass der Skin-Effekt den Wirkungsgrad der Energieübertragung nicht störend beeinflusst und große Anlagen aufgebaut werden können.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist Hinleiter oder Rückleiter als Leiter zur hochfrequenten Aufmodulation von Daten mindestens zweifach ausgebildet und diese mindestens zweifach ausgebildeten Leiter sind mit einer Leitungsabschlussimpedanz elektrisch verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass mit einfachen Mitteln eine Hochfrequenzübertragungsstrecke realisierbar ist. Der vorteilhafte Frequenzbereich der Hochfrequenz liegt im bei mehr als 200kHz Bereich, vorteiligerweise bei einigen MHz.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Hinleiter und Rückleiter als HF-Litzenleiter ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass der Skineffekt und die daraus bewirkten Verluste verringerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Hinleiter und Rückleiter als Litzenleiter ausgeführt, wobei die Litzendrähte miteinander elektrisch verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass kostengünstige Standard-Kabel verwendbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfasst die bewegbare Vorrichtung zur Energieübertragung das MF Magnetfeld um Hin- und Rückleiter herum. Insbesondere erfasst die bewegbare Vorrichtung zur Signalübertragung das HF-Magnetfeld zwischen den beiden Hinleitern. Von Vorteil ist dabei, dass die beiden Übertragungen physikalisch unterschiedlich vorgesehen sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die beiden Hinleiter durch das Einfügen einer Leitungsabschlussimpedanz am Ende der Übertragungsstrecke und die ohnedies vorhandene Anschlussbrücke an der Verbindungsstelle zur Zuleitung eine ovale Schleife bilden. Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher und kostengünstiger Weise eine Hochfrequenzübertragungsstrecke realisierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung dient die Sekundärspule der bewegbaren Vorrichtung sowohl der Energie- als auch der Signalübertragung. Von Vorteil ist dabei, dass nur ein Gehäuse für beide Funktionsteile jeweils notwendig sind.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung symbolisch gezeigt.
Die mittelfrequente Einspeisequelle 1 speist über die Zuleitung 10 den mittelfrequenten Hin- und Rückleiterstrom 9 in die Übertragungsstrecke 5. Der Hinleiter 7 ist aus zwei nebeneinander verlegten Kabeln vorgesehen, die am Ende der Übertragungsstrecke mit jeweiligen Rückleitern 6 verbunden sind und zusätzlich mit einer Leitungsabschlussimpedanz 4, die wesentlich im HF-Bereich, also hochfrequenten Bereich, wirksam ist und im mittelfrequenten und/oder niederfrequenten Bereich einen sehr hohen Widerstandsbetrag aufweist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist bei der vorliegenden Anordnung die Anzahl an Linienleitern verdoppelt. Sowohl die Hinleiter 7, als auch die Rückleiter 6 sind mit zwei HF-Litzenleitern ausgeführt, die an die Zuleitung (10) am Beginn der Überfragerstrecke angeschlossen sind. Die Zuleitung wird von einer mittelfrequenten AC-Stromquelle 1 gespeist.
Der doppeltverlegte Hinleiter 7 bildet durch das Einfügen einer Leitungsabschlussimpedanz 4 am Ende der Übertragungsstrecke und die ohnedies vorhandene Anschlussbrücke an der Verbindungsstelle zur Zuleitung eine ovale Schleife.
Diese Schleife dient der HF Übertragung von Signalen. Dazu werden Signale induktiv in die Schleife eingekoppelt und ebenso induktiv empfangen.
Auf diese Weise ist es ermöglicht, mit einer galvanisch entkoppelten, stationären Kommunikationseinheit 2 hochfrequente Ströme 8 in den Hinleitern anzuregen, die über ebenfalls galvanisch entkoppelte, bewegbare, aber induktiv an das den Hinleiter 7 und den Rückleiter 6 umfassende Primärsystem gekoppelte Kommunikationseinheiten 3 detektierbar sind. Auch umgekehrt sind HF-Ströme von den Kommunikationseinheiten 3 induzierbar, die von der stationären Kommunikationseinheit 2 detektierbar sind.
Auf diese Weise sind Daten hochfrequent aufmodulierbar auf die Hinleiter und ein Datenaustausch zwischen den bewegbaren und/oder den stationären Kommunikationseinheiten (2, 3) vorsehbar.
Die Kommunikationseinheiten (2, 3) können dabei im stationären Teil der Übertragungsstrecke bzw. im mobilen Bereich der Übertragungsstrecke an der Kommunikation teilnehmen.
Der hochfrequente Strom, also HF-Strom 8, fließt nur in der entstandenen Hinleiterschleife, wohingegen der mittelfrequente Strom, also MF-Strom, zur Energieübertragung in allen Leitern fließt.
Vorteiligerweise ist die Sekundärspule der bewegbaren Einheit nicht nur zur Energieübertragung verwendbar sondern auch zum Empfang oder zur Einspeisung der hochfrequenten Anteile. Das Auskoppeln erfolgt dann in einer mit der Sekundärspule verbundenen elektronischen Schaltung.
Bei einer Anordnung nach DE 44 46 779 C2 ist also der Mittelleiter ersetzbar durch die beiden Hinleiter 7, wobei der Außenleiter geteilter Form zur Bildung zweier Rückleiter auszuführen ist.
Auch bei anderen ähnlichen Anordnung, wie beispielsweise nach EP 0 818 868 B1 , sind der dortige Hinleiter und der dortige Rückleiter ebenfalls ersetzbar durch die beiden Hinleiter 7 und die beiden Rückleiter 6 nach 1.
Vorzugsweise wird als Mittelfrequenz eine Frequenz aus dem Bereich 15 bis 100 kHz gewählt, vorzugsweise 25 kHz.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel erfasst die induktive Einheit zur Energieübertragung erfasst lediglich das MF Magnetfeld um Hin- und Rückleiter herum.
Die induktive Ein-/Auskopplung zur Signalübertragung erfasst lediglich das HF-Magnetfeld zwischen den beiden Hinleitern.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist auch eine induktive Einheit vorsehbar, die sowohl der Energie-, als auch der Signalübertragung dient.

1: mittelfrequente Einspeisequelle
2: galvanisch entkoppelte, stationäre Kommunikationseinheit
3: galvanisch entkoppelte, bewegbare Kommunikationseinheit
4: Leitungsabschlussimpedanz
5: Übertragungsstrecke
6: Rückleiter
7: Hinleiter
8: HF-Strom
9: mittelfrequenter Hin- und Rückleiterstrom
10: Zuleitung zur Übertragungsstrecke

Claims

Anordnung zur berührungslosen induktiven Energieübertragung an bewegbare Vorrichtungen, umfassend ein langgestrecktes Primärleitersystem und eine oder mehrere relativ dazu bewegbare Vorrichtungen, welche jeweils mindestens eine induktiv an das Primärleitersystem gekoppelte Sekundärwicklung umfassen, wobei das Primärleitersystem Hinleiter (7) und Rückleiter (6) umfasst, wobei eine oder mehrere der bewegbaren Vorrichtungen mindestens eine bewegbare Kommunikationseinheit (3) umfassen, wobei zumindest eine stationäre Kommunikationseinheit (2) unbeweglich zum Primärleitersystem angeordnet ist, wobei der Hinleiter (7) im Verlauf einer Übertragungsstrecke (5) mindestens zweifach ausgebildet ist, wobei Daten zwischen zwei der Hinleiter (7) durch die Kommunikationseinheiten (2, 3) hochfrequent induktiv aufmoduliert werden und innerhalb der Übertragungsstrecke (5) zwischen den Kommunikationseinheiten (2, 3) austauschbar sind und wobei Hinleiter (7) und Rückleiter (6) zwei elektrische Schleifen bilden, die zum zweifach ausgebildeten Hinleiter (7) räumlich symmetrisch angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärleitersystem von einer Mittelfrequenzstromquelle (1) gespeist ist.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hinleiter (7) durch das Einfügen einer Leitungsabschlussimpedanz (4) am Ende der Übertragungsstrecke (5) eine ovale Schleife, insbesondere für Hochfrequenzströme, bilden.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hinleiter (7) und Rückleiter (6) als Hochfrequenz-Litzenleiter ausgeführt sind.
Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Hinleiter (7) und Rückleiter (6) als Litzenleiter ausgeführt sind, wobei die Litzendrähte miteinander elektrisch verbunden sind.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Vorrichtung zur Energieübertragung das von der Mittelfrequenzstromquelle (1) erzeugte Mittelfrequenz-Magnetfeld um Hinleiter (7) und Rückleiter (6) herum erfasst.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Vorrichtung zur Datenübertragung das von den Kommunikationseinrichtungen (2, 3) erzeugte Hochfrequenz-Magnetfeld zwischen den beiden Hinleitern (7) erfasst.
Anordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbaren die mindestens eine induktiv an das Primärleitersystem gekoppelte Sekundärwicklung Vorrichtung sowohl der Energie- als auch der Signalübertragung dient.