DE102013013905A1

DE102013013905A1 - Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung

Info

Publication number: DE102013013905A1
Application number: DE102013013905.8A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Hardo May; Faical Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-19
Also published as: DE112014003807A5; WO2015024901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von elektrischen Resonanzelementen, die von einem Wechselstrom gespeisten werden und damit ein sich räumlich ausbreitendes magnetisches Wechselfeld erzeugen um elektrische Leistung berührungsfrei zwischen einem Erzeugersystem und einem Verbrauchersystem bidirektional auszutauschen. Kennzeichnende Eigenschaft der Resonanzelemente ist, dass keine externen Kondensatoren erforderlich sind und dass die zugeführte elektrische Erzeugerleistung und die abgenommene elektrische Verbraucherleistung hauptsächlich aus der übertragenen Wirkleistung bestehen. Blindleistungen sind nur innerhalb der Resonanzelemente vorhanden.

Description

Beschreibung der Erfindung
Anordnungen und Verfahren zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung sind bekannt. Anwendung für die berührungsfreie induktive Übertragung elektrischer Leistung sind Transport- oder Verkehrssysteme bei denen eine Stromzuführung über Kabel oder Stromschienen nicht möglich ist.
Allen bislang bekannten Anordnungen ist gemein, dass auf der Erzeugerseite eine Leiteranordnung von einem Wechselstrom gespeist wird und hierdurch ein räumlich ausgebreitetes magnetisches Wechselfeld entsteht. Das magnetische Wechselfeld induziert eine Spannung in eine auf der Verbraucherseite vorgesehene zweite Leiteranordnung welche zur Leistungsübertragung genutzt wird. Die auf der Erzeugerseite und auf der Verbraucherseite vorgesehenen Leiteranordnungen bilden ein System schwach magnetisch gekoppelter Spulen welche zu einem großen Teil mit Blindleistung beansprucht werden. Je nach räumlichem Abstand zwischen den beiden Leitersystemen, kann die Blindleistung sogar ein Vielfaches der Wirkleistung betragen. Allen bislang bekannten Anordnungen ist weiterhin gemein, dass die auftretenden Blindleistungen durch diskrete Kondensatoren kompensiert werden, welche in Reihenschaltung oder Parallelschaltung zu den Leiteranordnungen angeordnet sind. Je nach Größe der Blindleistung und der damit auftretenden Spannung an den zur Kompensation dienenden Kondensatoren, ist es erforderlich ein- oder mehrere Kondensatoren einzusetzen. Jeder Kondensator ist dabei elektrisch mit der zur Leistungsübertragung genutzten Leiteranordnung zu verbinden.
Die bislang zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung bekannten Anordnungen weisen bezüglich der zur Blindleistungskompensation erforderlichen Kondensatoren entsprechend dem Stand der Technik folgende nachteilige Merkmale auf:

• Notwendigkeit elektrischer Zuleitungen von den Leiteranordnungen zur Leistungsübertragung zu diskreten Kondensatoren welche zur Kompensation von Blindleistung dienen,
• Ausbildung zusätzlicher Magnetfelder durch die Kondensator-Zuleitungen, wobei diese Zusatz-Magnetfelder keinen Beitrag zur eigentlichen Leistungsübertragung liefern, sich aber störend auf die Magnetfeldbelastung des Umfeldes auswirken können,
• erhöhte Anforderungen an Gewicht und Volumen der Gesamtanordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung,
• erhöhte Material- und Herstellkosten durch den Verbau von Kondensatoren.

Der beschriebenen Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Leiteranordnungen zur Leistungsübertragung so auszuführen, dass sie inhärent auch die Kapazitäten zur Kompensation der Blindleistung aufweisen und damit weitere Kondensatoren zur Blindleistungskompensation entweder gar nicht oder nur in sehr geringem Umfang zur Justage der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes erforderlich sind. Das von außen elektrisch gespeiste Resonanzelement bildet somit eine in sich geschlossene Funktionskomponente mit der Eigenschaft ein räumliches Magnetfeld aufzubauen und die für das Magnetfeld erforderliche Blindleistung in sich zu kompensieren. Hierdurch ist es möglich die elektrische Speisung des Resonanzelements im Idealfall für die reine zu übertragene Wirkleistung auszulegen. Aus dieser Eigenschaft ergeben sich für die beschriebene Erfindung gegenüber dem Stand der Technik folgende vorteilhafte Merkmale:

• Entfall von elektrische Zuleitungen von den Leiteranordnungen zur Leistungsübertragung zu diskreten Kondensatoren welche zur Kompensation von Blindleistung dienen,
• keine Ausbildung zusätzlicher Magnetfelder durch die Kondensator-Zuleitungen und damit keine zusätzliche Magnetfeldbelastung des Umfeldes,
• verringerte Anforderungen an Gewicht und Volumen der Gesamtanordnung zur berührungsfreien induktiven Übertragung elektrischer Leistung,
• verringerte Material- und Herstellkosten durch den Entfall zusätzlicher Kondensatoren.

Erfindungsgemäß wird die Kompensation der Blindleistung innerhalb des Resonanzelementes dadurch erreicht, dass die geometrische Anordnung der von einem Wechselstrom durchflossenen Leiter des Resonanzelementes zur Ausbildung eines räumlich verteilten Magnetfeldes führt. Jeder Leiter besteht aus mindestens zwei benachbarten Einzelleitern die parallel miteinander verlaufen, zueinander aber isoliert sind. Beide Einzelleiter führen einen Strom in gleicher Richtung, so dass sich die von den Einzelleitern erzeugten räumlichen Magnetfelder in gleicher Weise addieren. Die zwischen den benachbarten Einzelleitern wirksame Kapazität ist in Reihenschaltung zu der von beiden Tilleitern gebildeten Induktivität zu verstehen und dient zur Kompensation der Blindleistung. Das beschriebene Resonanzelement kann bei der induktiven Leistungsübertragung vorzugsweise sowohl für das Erzeugersystem, als auch für das Verbrauchersystem Anwendung finden.
Beschreibung der Abbildungen
zeigt ein Resonanzelement 1 bestehend aus zwei voneinander isolierten Leitern 1a, 1b, welche räumlich parallel verlaufen und magnetisch sowie elektrisch miteinander gekoppelt sind. Grundsätzlich sind beliebige geometrische Querschnitte für die Leiter 1a, 1b möglich, vorzugsweise sind jedoch elektrisch leitfähige Bänder der Dicke d und der Breite b vorzusehen. Die Dicke d und die Breite b der Leiter 1a, 1b kann entsprechend der erforderlichen Stromtragfähigkeit gewählt werden. Die Breite der Leiter 1a, 1b hat zudem einen Einfluss auf die zwischen den Leitern 1a, 1b wirksame Kapazizät. Die geometrische Form des Resonanzelementes kann beliebige zweidimensionale oder dreidimensionale Formen annehmen. In Abb 1 und in den folgenden Abbildungen ist beispielhaft eine runde planare Anordnung dargestellt. Ein elektrischer Wechselstrom 3 fließt in den Leiter 1a hinein und fließt aus dem Leiter 1b heraus. Das elektrische Feld zwischen den Leitern 1a, 1b bildet eine Kapazität. Die Summe der Teilströme in dem Leiter 1a und in dem Leiter 1b ist an jeder Stelle der Doppelleiteranordnung von konstant und bildet stets den Gesamtstrom 3 (s. ). Das durch die in den Leitern 1a, 1b fließenden Teilströmen entstehende räumliche Magnetfeld wird für die berührungsfreie induktive Energieübertragung von dem dargestellten Erzeugersystem auf ein nicht dargestelltes Verbrauchersystem genutzt. Das Leitersystem 1a, 1b bildet aufgrund des durch den Strom 3 entstehenden räumlichen Magnetfeldes eine Induktivität. Erzeugersystem und Verbrauchersystem befinden sich in einem gewissen vertikalen und/oder horizontalen Abstand zueinander und sind magnetisch miteinander gekoppelt. Elektrisch handelt es sich bei dem Resonanzelement um eine Reihenschaltung aus Kapazität und Induktivität, welche ein Resonanzverhalten aufweist. Werden die Anschlüsse für die Stromzuführung in Leiter 1a und für den Stromaustritt aus Leiter 1b miteinander elektrisch verbunden, zeigt das Resonanzelement 1 das Verhalten eines Parallelschwingkreises.
zeigt die prinzipielle Aufteilung des dem Leiter 1a zugeführten Stromes 3 auf die beiden Leiter 1a, 1b. Längs jedes Leiterelements mit der Teillänge dx ist die Teilkapazität 4a wirksam. Sie führt den Teilsstrom 3a von Leiter 1a an Leiter 1b. Innerhalb der Länge dx verringert sich in Leiter 1a der Strom um jeweils den Teilstrom 3a (beispielsweise von I-dI auf I-2dI), der Strom in Leiter 1b erhöht sich seinerseits innerhalb jedes Streckenabschnitts dx um den entsprechenden Wert 3a – beispielsweise von dI auf 2dI. Die Summe der Ströme in den beiden Leitern 1a, 1b, dies sind die Ströme 3a + 3b bzw. 3c + 3d ist damit längs der gesamten Leiterlänge an jeder Stelle konstant.
zeigt eine Variante des Resonanzelementes bei der der Einzelleiter 1a aus zwei elektrisch miteinander verbundenen Subteilleitern 11a, 12a und der Einzelleiter 1b aus zwei elektrisch miteinander verbundenen Teilleitern 11b, 12b bestehen. Durch diese Verschaltung kann sowohl die Stromtragfähigkeit der Einzelleiter 1a, 1b als auch die Kapazität zwischen den Einzelleitern 1a, 1b variiert werden. Prinzipiell können die beiden Teilleiter 1a und 1b aus jeweils beliebig vielen parallelen Subteilleitern aufgebaut werden.
zeigt eine Variante des Resonanzelementes, bei der die voneinander isolierten Einzelleiter 1a, 1b jeweils in Stromrichtung an den Trennstellen 13, 14 unterteilt sind. Die Teilabschnitte der Einzelleiter 1a, 1b sind zueinander überlappend angeordnet, so dass sich zwischen den Einzelleitern 1a, 1b eine Reihenschaltung von Teilkapazitäten ergibt. Hierdurch erfolgt einerseits eine Aufteilung der an dem Resonanzelement insgesamt auftretenden Spannung auf mehrere Teilspannungen. Je Teilkapazität folgt hieraus eine entsprechend geringere Spannungsbelastung. Es können am Umfang verteilt beliebig viele 1...n elektrische Unterteilungen vorgesehen werden.
zeigt eine Variante zur Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes durch Veränderung der Teilkapazitäten durch geometrisches Verkürzen 17, 18 der Teilleiter an einem und/oder beiden Enden der Teilwicklungen 1a, 1b.
zeigt eine Variante zur Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes durch Hinzufügen von Teilkapazitäten 15, 16 an einem und/oder beiden Enden der Teilwicklungen 1a, 1b. Die Kondensatoren können diskrete elektronische Bauelements, oder aber aus ausgedehnten planen elektrisch leitenden Folien bestehen.
zeigt eine Variante bei der durch elektrische Verbindung der Teilleiter 1a, 1b das Verhalten des Resonanzelementes 1 dem eines Parallelschwingkreises entspricht. Die Ein- bzw. Auskopplung erfolgt durch einen weiteren Leiter 2 der induktiv mit dem Resonanzelement 1 gekoppelt ist und mit dem Wirkstrom 3e beaufschlagt wird. In dem Erzeugersystem ist der Strom 3e der zugeführte Wirkstrom, in dem Verbrauchersystem ist 3e der entnommene Wirkstrom.

Claims

Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass dem Resonanzelement über die elektrischen Anschlüsse im Wesentlichen nur Wirkleistung zugeführt oder entnommen wird, dass Blindleistungen im Wesentlichen in einzelnen Bereichen innerhalb des Resonanzelementes entstehen und durch inhärent in einzelnen Bereichen innerhalb des Resonanzelementes wirksame Kondensatoren kompensiert werden und damit keine Kompensation von Blindleistungen durch weitere äußere Komponenten außerhalb der Resonanzelemente erforderlich ist, dass das Resonanzelement an den elektrischen Anschlüssen in einer Variante das elektrische Verhalten eines elektrischen Reihenschwingkreises und in einer weiteren Variante das elektrische Verhalten eines elektrischen Parallelschwingkreises aufweist.
Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement aus mindestens zwei parallelen voneinander isolierten elektrischen Leitern besteht, welche zueinander eine große magnetische Kopplung und eine große elektrische, d. h. kapazitive Kopplung aufweisen, dass die elektrische Verschaltung von mehreren parallelen, zueinander isolierten elektrischen Leitern so erfolgt, dass insgesamt zwei zueinander isolierte elektrische Leiteranordnungen entstehen,
Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen parallelen, voneinander isolierten elektrischen Leitern die gegenseitige Kapazität durch Anordnung eines zwischenliegenden Dielektrikums mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r > 1 erhöht wird, dass die elektrischen Leiter des Resonanzelementes aus Flachbändern bestehen, welche zueinander eine große Kapazität aufweisen.
Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leiteranordnungen in Stromrichtung jeweils unterbrochen sind und bezüglich der Kapazität zwischen beiden Leiteranordnungen das Merkmal einer Reihenschaltung von Teilkapazitäten aufweisen.
Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Resonanzfrequenz durch Variation der Länge der Teilleiter 1a, 1b erfolgt, dass eine Veränderung der Resonanzfrequenz durch Hinzufügen von Teilkapazitäten an den freien Enden der Teilleiter 1a, 1b erfolgt.
Elektrisches Resonanzelement für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, das die Ein- und Auskopplung der elektrischen Übertragungswirkleistung in das jeweilige Resonanzelement auf der Erzeugerseite und der Verbraucherseite jeweils durch weitere Spulen erfolgen kann, die mit den Resonanzelementen magnetisch gekoppelt sind und durch die Windungszahl der weiteren Spulen eine Anpassung an Strom- und Spannungsanforderungen erfolgt.
Resonanzanordnung für die berührungsfreie induktive Energieübertragung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Resonanzelemente eine modular aufgebaute Gesamteinheit bilden, alle Resonanzelemente miteinander magnetisch gekoppelt angeordnet werden und jedes der Resonanzelemente einen Beitrag zu dem für die induktive Energieübertragung genutzten Magnetfeld liefert.