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Die
Erfindung betrifft eine Anlage, umfassend ein Primärleitersystem
und ein Fahrzeug.
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Induktiv
versorgbare Fahrzeuge sind bekannt. Jedoch müssen diese Fahrzeuge dem Verlauf des
Primärleiters
folgen, da bei Abweichungen vom Bereich des Primärleiters die Energieaufnahme
reduziert oder sogar unterbrochen ist. Somit ist eine Batterie notwendig,
um eine Bewegung auf einer Fläche auszuführen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage weiterzubilden,
wobei eine Bewegung in der Fläche
ohne Energiespeicher ausführbar
sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Anlage sind, dass sie ein Primärleitersystem
und ein Fahrzeug umfasst,
wobei das Fahrzeug eine Anordnung
von Sekundärwicklungen
umfasst, über
die die Verbraucher des Fahrzeugs aus dem Primärleitersystem versorgbar sind,
insbesondere wobei die von den Sekundärwicklungen der Anordnung aufgenommene
Energieströme
zusammengeführt
werden und daraus die Verbraucher versorgt werden,
wobei die
Anordnung von Sekundärwicklungen
mit dem Primärleitersystem
induktiv gekoppelt vorgesehen ist,
wobei
das Primärleitersystem
eine mäanderförmig verlegte Stromschleife
umfasst, so dass mit Ausnahme von Randbereichen, also Umlenkbereichen
benachbarte Abschnitte des Primärleitersystems
mit der Maschenbreite a voneinander beabstandet sind und parallel
zueinander verlaufen,
wobei die Anordnung zumindest zwei Paare
von Sekundärwicklungen
umfasst, deren innerhalb des jeweiligen Paares gedachten Verbindungslinien
senkrecht zueinander ausgerichtet sind,
oder wobei die Anordnung
zumindest drei Paare von Sekundärwicklungen
umfasst, deren innerhalb des jeweiligen Paares gedachten Verbindungslinien
um einen Winkelbetrag von 60° zueinander
aufweisen.
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Von
Vorteil ist dabei, dass auch für
ein solches Primärleitersystem
mit Dreiecksgitterstruktur eine kontinuierliche Energieaufnahme
erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der Abstand, insbesondere
der Abstand der Schwerpunkte oder Mittelpunkte, der Sekundärwicklungen
eines jeweiligen Paares einem ungeradzahleigen Vielfachen der halben
Maschenbreite, insbesondere wobei das ungeradzahlige Vielfache 3 oder
größer ist.
Von Vorteil ist dabei, dass stets eine Energieaufnahme statt findet.
Wenn nämlich
der erste Übertragerkopf
des Paares keine Energie aufnimmt, weil der Primärleiter außerhalb seines empfindlichen
Bereichs ist, nimmt der andere Übertragerkopf
Energie maximal auf, da der Primärleiter
gerade dann in dessen empfindlichen Bereich liegt. Umgekehrtes gilt
analog. Bei einer Verdrehung um 90° nehmen zwar beide Übertragerköpfe keine
Energie auf, jedoch übernimmt
dann das andere Paar die Energieaufnahme in analoger Weise.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung fällt der Schwerpunkt oder Mittelpunkt
des ersten Paares auf den entsprechenden Schwerpunkt oder Mittelpunkt des
zweiten Paares oder die beiden Punkte sind voneinander näher als
ein Viertel einer Maschenbreite voneinander beabstandet. Von Vorteil
ist dabei, dass eine möglichst
kompakte Weise eine Anordnung von Übertragerköpfen vorsehbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwerpunkt oder Mittelpunkt
des ersten Paares von einem ersten Punkt beabstandet in Richtung
der Verbindungslinie des ersten Paares mit einem Abstandswert, welcher
ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/2·a·√2 beträgt,
insbesondere wobei
das ungerade Vielfache das Einfache, das Dreifache, das Fünffache
beträgt,
der
Schwerpunkt oder Mittelpunkt des zweiten Paares von dem ersten Punkt
beabstandet ist in Richtung der Verbindungslinie des zweiten Paares
mit einem Abstandswert, welcher ein ungeradzahliges Vielfaches von
1/2·a·√2 beträgt, insbesondere
wobei das ungerade Vielfache das Einfache, das Dreifache, das Fünffache
beträgt,
insbesondere
wobei der Abstandswert mit einer Genauigkeit von mehr als einem
Viertel einer Maschenbreite bestimmt ist. Von Vorteil ist dabei,
dass je nach Einbauraum eine angepasste Anordnung von Übertragerköpfen vorsehbar
ist, insbesondere ist auch jeder Übertragerkopf sehr groß ausführbar und
mittels der Beabstandung trotzdem genügend viel Bauraum bereit stellbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwerpunkt oder Mittelpunkt
des ersten Paares vom entsprechenden Schwerpunkt oder Mittelpunkt des
zweiten Paares beabstandet in Richtung einer Verbindungslinie mit
einem Abstandswert, welcher ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/2·a·√2 beträgt, insbesondere
wobei das ungerade Vielfache das Einfache, das Dreifache, das Fünffache
beträgt,
insbesondere
wobei der Abstandswert mit einer Genauigkeit von mehr als einem
Viertel einer Maschenbreite bestimmt ist. Von Vorteil ist dabei,
dass wiederum sowohl bei paralleler und auch bei 45° geneigter Orientierung
des Fahrzeugs eine Energieaufnahme erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Primärleitersystem mit Ausnahme
der äußeren Randbereiche,
also Umlenkbereiche, eine diskrete Translationssymmetrie oder diskrete
Rotationssymmetrie aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Anordnung
der Übertragerköpfe auf
die Symmetrie des Primärleitersystems
anpassbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Primärleitersystem
zumindest eine weitere mäanderförmig verlegte
Stromschleife, die im Wesentlichen gegenüber der ersten um einen Winkelbetrag
verdreht angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Fertigung
des Primärleitersystems
in einfacher Weise erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anzahl der mäanderförmig verlegten
Stromschleifen n ist, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als
1 ist, und die Mäander
um jeweils einen Winkelbetrag von 180°/n gegeneinander verdreht angeordnet
sind. Von Vorteil ist dabei, dass ebenfalls die Fertigung des Primärleitersystems
in einfacher Weise erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Maschenbreite einen
Wert zwischen 100 und 200 mm auf, insbesondere zwischen 130 mm und
160 mm, wobei die Frequenz des in das Primärleitersystem eingespeisten
Wechselstromes zwischen 10 und 500 kHz beträgt, insbesondere zwischen 20
und 30 kHz. Von Vorteil ist dabei, dass bei diesen Parametern eine
optimale Energieaufnahme erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der jeweilige Übertragerkopf
eine Ausdehnung in Richtung der Verbindungslinie, die zwischen einer
halben und dem anderthalbfachen der Maschenbreite beträgt, insbesondere
im Wesentlichen einer Maschenbreite entspricht. Von Vorteil ist
dabei, dass der Übertragerkopf
auch groß ausführbar ist
und infolge der beschriebenen Beabstandungen eine optimale Leistungsübertragung
in allen Orientierungen des Fahrzeuges in der Ebene erreichbar ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- α
- Maschenbreite
- 40
- Sekundärwicklung
- 41
- Ferritplatten
- 60
- Sekundärwicklung
- 61
- Sekundärwicklung
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Primärleitersystem
schematisch dargestellt.
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Hierbei
wird in einen mäanderförmig verlegten
Primärleiter
ein mittelfrequenter Strom, insbesondere mit einer Frequenz zwischen
10 und 500 kHz eingeprägt.
Das Primärleitersystem
ist vorzugsweise in einem Boden eingelegt oder im Boden vergossen vorgesehen.
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Die
Maschenbreite beträgt α. Dies bedeutet, dass
unter Vernachlässigung
der Umlenkbereiche des Mäanders
zwei nächstbenachbarte
Abschnitte des Primärleiters
den Abstand a zueinander aufweisen, also im Abstand a parallel zueinander
verlaufen.
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In
der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Primärleitersystem
gezeigt. Hierbei ist ein weiteres gleichartiges mäanderförmiges Primärleitersystem
vorgesehen, das um 90° verdreht
angeordnet ist und über
das erste Primärleitersystem
nach 1 gelegt ist. Auf diese Weise entsteht ein netzartiges Primärleitersystem
mit quadratischen Zellen.
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In
der 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Primärleitersystem
gezeigt. Hierbei sind zwei weitere gleichartige mäanderförmige Primärleitersysteme
vorgesehen, die um jeweils 60° verdreht
angeordnet sind und über
das erste Primärleitersystem nach 1 gelegt
sind. Auf diese Weise entsteht ein netzartiges Primärleitersystem
mit dreieckigen Zellen.
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Im
Folgenden wird vorzugsweise Bezug genommen auf das in 1 gezeigte
Primärleitersystem.
Dieses ist im Wesentlichen, also mit Ausnahme des Randbereichs,
gekennzeichnet durch eine diskrete Translationssymmetrie in einer
einzigen Richtung. Hierbei ist die Translationssymmetrie eindeutig beschrieben
durch die Maschenbreite α,
also den Abstand zweier benachbarter Primärleiterabschnitte.
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Auf
dem Boden oder oberhalb der Ebene der Primärleitersysteme sind bewegbar
angeordnete Fahrzeuge vorgesehen, an die Energie berührungslos
aus der Primärleitersystem-Anordnung übertragbar
ist. Insbesondere das Antriebssystem des Fahrzeugs ist über somit
versorgbar.
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Hierzu
weist das Fahrzeug Sekundärwicklungen
in jeweiligen Übertragerköpfen, die
auch als Pick-Up bezeichenbar sind, auf, die induktiv gekoppelt
sind an die Primärleitersysteme.
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In 4 ist
ein solcher Übertragerkopf
gezeigt. Dabei ist die Sekundärwicklung
derart vorgesehen, dass ihre Wicklungsachse in der Zeichenebene liegt
und derart um die U-förmig
angeordneten Ferritplatten 41 gewickelt sind, dass die
Schenkel des U zu einem nicht dargestellten Primärleiter hin geöffnet ausgerichtet
sind, der in Normalenrichtung zur Zeichenebene ausgerichtet ist.
Diese Normalenrichtung ist diejenige Richtung des Primärleiters,
in welcher ein Maximum an Energie übertragbar ist. Diese optimale
Richtung ist also senkrecht zur Wicklungsrichtung und senkrecht
zur vom U aufgespannten Ebene.
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Das
vom Primärleiter
erzeugte Magnetfeld ist von den Ferritplatten größtenteils auffangbar und führt somit
zu einer Induktionsspannung an der Sekundärwicklung 40. Diese
ist mit einer Kapazität
derart in Reihe oder parallel verschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz
im Wesentlichen der Frequenz des in den Primärleiter eingespeisten Wechselstromes
entspricht. Diesem Resonanzkreis wird Energie entnommen, vorzugsweise
durch einen Gleichrichter.
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In 5 ist
eine zugehörige
Draufsicht dargestellt.
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In
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist statt der U-förmigen
Ausführung eine
E-förmige
Ausführung
vorteilhaft. In diesem Fall ist die optimale Richtung also senkrecht
zur Wicklungsrichtung und senkrecht zur vom E aufgespannten Ebene.
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In 6 ist
wiederum in Draufsicht die Anordnung von zwei Paaren von Übertragerköpfen gezeigt.
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Dabei
besteht das erste Paar aus einem ersten Übertragerkopf 61 und
einem zweiten gleichartigen Übertragerkopf 61,
der aus dem ersten durch gedachte Parallelverschiebung in der optimalen
Richtung hervorgeht.
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Als
Abstand zwischen den Übertragerköpfen wird
5·α/2, also
das Zweieinhalbfache der Maschenbreite α gewählt.
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Das
zweite Paar besteht aus einem ersten Übertragerkopf 60 und
einem zweiten gleichartigen Übertragerkopf 60,
der aus dem ersten durch gedachte Parallelverschiebung in der optimalen
Richtung hervorgeht, wobei diese optimale Richtung senkrecht zur
optimalen Richtung des ersten Paars liegt. Insbesondere ist dabei
die aus beiden Richtungen aufgespannte Ebene parallel zum Boden
ausgerichtet.
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Als
Abstand zwischen den Übertragerköpfen wird
3·α/2, also
das Eineinhalbfache der Maschenbreite α gewählt.
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Die
angegebenen Abstände
beziehen sich dabei auf die Mittelpunkte der Übertragerköpfe. Bei Ausführung der Übertragerköpfe mit
einer Ausdehnung in optimaler Richtung mit dem Wert der Maschenbreite α beträgt der Abstand
beim ersten Paar zwischen den Übertragerköpfen 3·α/2 und zwischen den Übertragerköpfen des
zweiten Paares α/2.
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Der
Schwerpunkt oder Mittelpunkt der Übertragerköpfe des ersten Paares ist am
gleichen Ort wie der Schwerpunkt oder Mittelpunkt der Übertragerköpfe des
zweiten Paares.
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Der
Abstand Übertragerköpfe eines
Paares ist somit derart, dass bei zu einem ersten Übertragerkopf
optimaler Lage des Primärleiters
dieser eine maximale Energieaufnahme aufweist, währenddessen der andere Übertragerkopf
nur eine minimale Energieaufnahme aufweist oder sogar gar keine
Energieaufnahme durchführt.
Bei Verschiebung des Paares senkrecht zum Primärleiter kehrt sich dieses Verhältnis zunehmend
um, so dass sich die Energieaufnahme des zweiten Übertragerkopfes
zunehmend verbessert und nach Erreichen eines Maximums der erste Übertragerkopf
ein Minimum an Energieaufnahme erreicht.
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In
der 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei
dem das zweite Paar von Übertragungsköpfen gegenüber 6 um α·√2 verschoben ist
in der zugehörigen
optimalen Richtung.
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Somit
ist bei einer schrägen
Fahrt des Fahrzeuges samt seiner Übertragerköpfe (60, 61)
im Winkel von etwa 45° von
beiden Übertragerköpfen ungefähr gleich
viel Energie aufnehmbar. Ist der Winkel kleiner als 45°, insbesondere
etwa 0°,
wird die Energie von demjenigen Paar von Übertragerköpfen geliefert, dessen zugehörige optimale
Richtung parallel zu den Primärleitern
verläuft.
Nach Überschreiten von
45° wird
die Energie vornehmlich vom anderen Paar an Übertragerköpfen geliefert. Bei etwa 90° wird die
Energie nur noch vom diesem Paar aufgenommen.
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Das
zweite Paar ist also um α·√2 verschoben in
zu seiner optimalen Richtung senkrechten Richtung. Somit ist wiederum
bei einer Schräglage
von 45° keine
wesentliche Veränderung
der Energieaufnahmen bewirkt.
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In
der 8 ist eine Verschiebung um 3/2·α·√2 ausgeführt anstatt der für 7 beschriebenen
Verschiebung um α·√2. Dies
entspricht bei einem Winkel von 45° zwischen optimaler Richtung
des Paares und Primärleiterrichtung
einer Verschiebung um eine „Gitterkonstante”, also
um eine in der optimalen Richtung gemessene Periodenlänge.
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In
der 9 ist das Paar zusätzlich in zur bei 8 genannten
Verschiebung senkrechter Richtung verschoben um wiederum 3/2·α·√2. Dies
entspricht der in der zugehörigen
Richtung gemessenen Periodenlänge.
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Bei
solchen Verschiebungen um eine Periodenlänge eines 45° zur optimalen
Anordnung der Übertragerköpfe verdreht
angeordneten Primärleitersystems
bleibt die Aufteilung der Energieaufnahme auf die Übertragerköpfe gleich.
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Auf
diese Weise ist bei allen gezeigten Anordnungen eine sehr hohe Energieaufnahme
realisierbar, wobei dies auch bei allen Orientierungen des Fahrzeuges
auf der Bodenebene gilt.
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Dabei
werden die Ausgangsseiten der Gleichrichter aller Übertragerköpfe parallel
geschaltet und somit die jeweiligen Energieströme addiert. Alternativ sind
auch anders geartete Zusammenführungen
der Energieströme
realisierbar.
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Verallgemeinert
gesprochen, weist das Primärleitersystem
eine Symmetrie auf, wie beispielsweise die genannte diskrete Translationssymmetrie. Alternativ
ist auch eine diskrete Rotationssymmetrie wie bei 2 und 3 verwendbar.
Dabei ist die Zähligkeit
der Symmetrie zwei bei 2 und drei bei 3.
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Die
Anordnung der Übertragerköpfe nach 6 ist
derart zusammengesetzt, dass sie aus einer ersten Teilanordnung,
insbesondere Paar, besteht, das bei Verschiebung in Symmetrierichtung
ein im Wesentlichen unverändertes
Energieaufnahmeverhalten erreichbar macht, also der Abstand der
beiden Übertragerköpfe der
halben Maschenbreite entspricht oder einem ungeradzahleigen Vielfachen
der halben Maschenbreite, also dem Ein-einhalbfachen, Zwei-einhalbfachen etc.
der Maschenbreite.
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Das
zweite Paar ist senkrecht zur Symmetrierichtung ausgerichtet und
weist ebenfalls den genannten Abstand auf. Somit ist bei einer Drehung
um 90° das
gleiche Energieaufnahme-Verhalten
erreichbar.
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Die
Anordnung nach 6 ist derart angeordnet, die
Mittelpunkte der Paare übereinstimmen.
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Die
Anordnungen nach 7, 8 und 9 unterscheiden
sich dadurch, dass das zweite Paar und/oder erste verschoben ist
um die Periodenlänge,
welche bei einem Winkel von 45° Verdrehung zwischen
Primärleitersystem
und optimaler Richtung auftritt, wenn das Fahrzeug sich in der Richtung
eines Paares bewegt.