DE102021003579A1

DE102021003579A1 - Vorrichtung und System zur berührungslosen Energieübertragung

Info

Publication number: DE102021003579A1
Application number: DE102021003579.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Böckle; Klaus Schwesinger; Michael Geissler; Michael Kutz; Matthias Schneider
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2022-03-03
Also published as: WO2022042931A1; EP4205260A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20) zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle (40), welche einen Primärstrom (I1) erzeugt, und einen Primärleiter (11), welcher in Form einer Primärschleife (21) gelegt ist und eine erste Induktivität (L1) aufweist, wobei der Primärleiter (11) mit der Energiequelle (40) verbunden ist und von dem Primärstrom (I1) durchflossen wird. Die Vorrichtung (20) umfasst einen Sekundärleiter (12), welcher in Form einer Sekundärschleife (22) gelegt ist und eine zweite Induktivität (L2) aufweist, und eine Kapazität (C2), wobei der Sekundärleiter (12) mit der Kapazität (C2) derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität (L2) und die Kapazität (C2) einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) derart gelegt sind, dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge (D) parallel verlaufen, und dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter (12) von einem Sekundärstrom (I2) durchflossen wird. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung (20) und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf (50) zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf (50) eine Tertiärwicklung (31) umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) induktiv gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle, welche einen Primärstrom erzeugt, und einen Primärleiter, welcher in Form einer Primärschleife gelegt ist und eine erste Induktivität aufweist, wobei der Primärleiter mit der Energiequelle verbunden ist und von dem Primärstrom durchflossen wird. Die Erfindung betrifft auch ein System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf zur Aufnahme von Energie aufweist.
Aus der DE 100 53 373 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Einspeisung, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einspeist. Mobile Verbraucher sind entlang dem Primärleiter bewegbar und weisen jeweils eine Spule auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Verbraucher übertragbar.
Auch aus der DE 10 2006 013 004 A1 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, das eine Einspeisung, die einen mittelfrequenten Wechselstrom in einen langgestreckten Primärleiter einspeist, umfasst.
Aus der DE 10 2004 055 1543 B4 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Das System umfasst eine Stromquelle, die mit einem langgestreckten Primärleiter verbunden ist. Ein mobiler Verbraucher, der entlang dem Primärleiter bewegbar ist, weist einen Übertragerkopf auf. Der Übertragerkopf weist eine Wicklung auf, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Durch diese induktive Kopplung ist Energie von dem Primärleiter zu dem Übertragerkopf des Verbrauchers übertragbar.
Aus der DE 10 2007 024 293 A1 ist eine Anlage bekannt, welche ein Primärleitersystem und zumindest eine daran entlang bewegbar angeordnete Vorrichtung umfasst.
Aus der US 2012/0001497 A1 ist ein System zur drahtlosen Übertragung von Leistung bekannt. Das besagte System umfasst einen leistungsübertragenden Abschnitt und einen leistungsempfangenden Abschnitt.
Aus der US 2018/0278095 A1 ist ein System zur elektromagnetischen Energieübertragung bekannt, welches eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweist.
Aus der EP 2 700 140 B1 ist ein System zur induktiven Energieübertragung an einen Verbraucher bekannt. Das System umfasst dabei ein Primärleitersystem, an welches eine Sekundärwicklung des Verbrauchers induktiv gekoppelt ist.
Aus der DE 692 27 242 T2 ist ein induktives Energieverteilungssystem bekannt. Das Energieverteilungssystem weist dabei eine Stromquelle, einen Primärleiterweg und mehrere elektrische Geräte auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein System zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird auch durch ein System zur berührungslosen Energieübertragung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher umfasst eine Energiequelle, welche einen Primärstrom erzeugt, und einen Primärleiter, welcher in Form einer Primärschleife gelegt ist und eine erste Induktivität aufweist, wobei der Primärleiter mit der Energiequelle verbunden ist und von dem Primärstrom durchflossen wird. Die Vorrichtung umfasst einen Sekundärleiter, welcher in Form einer Sekundärschleife gelegt ist und eine zweite Induktivität aufweist, und eine Kapazität, wobei der Sekundärleiter mit der Kapazität derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität und die Kapazität einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife und die Sekundärschleife derart gelegt sind, dass der Primärleiter und der Sekundärleiter über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge parallel verlaufen, und dass der Primärleiter und der Sekundärleiter derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter von einem Sekundärstrom durchflossen wird.
Der Primärstrom in dem Primärleiter, der vorzugsweise eine konstante Grundfrequenz und eine konstante Stromstärke aufweist, erzeugt ein erstes Magnetfeld. Der Sekundärstrom in dem Sekundärleiter, der die gleiche Grundfrequenz aufweist, und dessen Stromstärke von dem Primärstrom sowie von der Dimensionierung des Schwingkreises abhängt, erzeugt ein zweites Magnetfeld. Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Eine Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher erfolgt induktiv über das Gesamtmagnetfeld. Die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung hängt insbesondere von einer Feldstärke des Gesamtmagnetfelds ab. Mittels des Sekundärleiters, insbesondere durch geeignete Dimensionierung des Schwingkreises, ist die Stromstärke des Sekundärstroms einstellbar. Damit ist die Feldstärke des Gesamtmagnetfelds einstellbar. Damit ist die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung einstellbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet somit eine Einstellung die zu dem Verbraucher übertragbaren Leistung bei gleichbleibender Stromstärke des Primärstroms.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärschleife innerhalb der Primärschleife angeordnet. Dies ergibt eine effektive induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter bei einem geringen Platzbedarf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife genau eine Windung auf. Die besagte Ausgestaltung der Primärschleife mit genau einer Windung erfordert eine geringe Länge des Primärleiters und damit einen geringen Materialbedarf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sekundärschleife genau eine Windung auf. Die besagte Ausgestaltung der Sekundärschleife mit genau einer Windung erfordert eine geringe Länge des Sekundärleiters und damit einen geringen Materialbedarf.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sekundärschleife eine Mehrzahl von Windungen auf. Die besagte Ausgestaltung der Sekundärschleife mit einer Mehrzahl von Windungen gestattet eine Einstellung der zweiten Induktivität und damit eine Dimensionierung des Schwingkreises. Ferner ist bei einer Mehrzahl von Windungen eine Gegeninduktivität, welche die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter beschreibt, erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkreis derart ausgestaltet, dass der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen. Das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gleichphasig. Das erzeugte Gesamtmagnetfeld weist somit eine Feldstärke auf, die größer ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine größere Leistung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingkreis derart ausgestaltet, dass der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen. Das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gegenphasig. Unter der Annahme, dass der Sekundärstrom betragsmäßig kleiner ist als der Primärstrom, weist das erzeugte Gesamtmagnetfeld somit eine Feldstärke auf, die kleiner ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine kleinere Leistung von der Vorrichtung übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromstärke des Sekundärstroms zumindest annähernd gleich groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms. Wenn der Primärstrom und der Sekundärstrom dabei in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen, so löschen sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld gegenseitig aus und das Gesamtmagnetfeld ist gleich null. Ein derart ausgebildeter Kopplungsbereich ist besonders vorteilhaft an Stellen einsetzbar, wo Störquellen vorhanden sind, die der Vorrichtung ungewünscht Energie entnehmen. Solche Störquellen sind beispielsweise Stahlarmierungen in einem Betonboden, in welchen der Primärleiter und der Sekundärleiter verlegt sind. In einem derart ausgebildeten Kopplungsbereich ist eine Energieübertragung zu dem Verbrauch nicht möglich.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromstärke des Sekundärstroms zumindest annähernd halb so groß wie eine Stromstärke des Primärstroms. Wenn der Primärstrom und der Sekundärstrom in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen, so verstärken sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld zu einem Gesamtmagnetfeld mit einer Feldstärke von 150% der Feldstärke des ersten Magnetfeldes. Die in dem Kopplungsbereich von der Vorrichtung zu dem Verbraucher übertragbare Leistung entspricht damit 150% der Leistung, die in einem Bereich übertragbar ist, in welchem ausschließlich der Primärleiter liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife eine Schleifenbreite auf, welche größer ist als die Kopplungslänge. Die Kopplungslänge und der Platzbedarf des Kopplungsbereichs sind somit relativ gering. Ein solcher Kopplungsbereich ist vorteilhaft an Stellen einsetzbar, wo Störquellen vorhanden sind, die der Vorrichtung ungewünscht Energie entnehmen, wenn in dem Kopplungsbereich das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld sich gegenseitig auslöschen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Primärschleife eine Schleifenbreite auf, welche kleiner ist als die Kopplungslänge. Die Kopplungslänge des Kopplungsbereichs ist somit relativ groß. Dadurch ist die Energieübertragung zu dem Verbraucher in einem großen Kopplungsbereich möglich.
Vorzugsweise weisen die Primärschleife und die Sekundärschleife eine annähernd gleiche Schleifenbreite auf. Dadurch ist eine Gegeninduktivität, welche die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter und dem Sekundärleiter beschreibt, erhöht.
Ein erfindungsgemäßes System zur berührungslosen Energieübertragung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf eine Tertiärwicklung umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist.
In dem erfindungsgemäßen System ist somit eine berührungslose Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher möglich. Die Energieübertragung erfolgt dabei induktiv über die Tertiärwicklung des Übertragerkopfs zu dem mobilen Verbraucher.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Übertragerkopf, zumindest zeitweise, derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung mit dem Primärleiter und mit dem Sekundärleiter in dem Kopplungsbereich induktiv gekoppelt ist. Eine Energieübertragung von der Vorrichtung zu dem Verbraucher erfolgt dabei induktiv über das Gesamtmagnetfeld, dessen Feldstärke einstellbar ist. Damit ist die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung einstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Übertragerkopf entlang des Primärleiters bewegbar. Der Verbraucher ist somit in der Lage, während einer Fahrt entlang des Primärleiters Energie von der Vorrichtung induktiv aufzunehmen.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung,
2: ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und
3: qualitativ eine Abhängigkeit eines Sekundärstroms von einer Kapazität eines Kondensators.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung. Das System umfasst eine Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung und einen mobilen Verbraucher. Bei dem mobilen Verbraucher handelt es sich beispielsweise um ein autonom fahrendes Fahrzeug. Der mobile Verbraucher weist einen Übertragerkopf 50 zur Aufnahme von Energie auf. Der Übertragerkopf 50 umfasst eine Tertiärwicklung 31.
Die Vorrichtung 20 dient zur berührungslosen Energieübertragung zu dem mobilen Verbraucher. Die Vorrichtung 20 umfasst eine Energiequelle 40, welche einen Primärstrom I1 erzeugt, und einen Primärleiter 11. Der Primärleiter 11 ist in Form einer Primärschleife 21 gelegt und weist eine erste Induktivität L1 auf. Der Primärleiter 11 ist mit der Energiequelle 40 elektrisch verbunden und wird von dem Primärstrom I1 durchflossen. Die Primärschleife 21 weist vorliegend genau eine Windung auf.
Die Energiequelle 40 weist eine Stromquelle 42 auf, welche den Primärstrom I1 liefert. Der Primärstrom I1 ist ein mittelfrequenter Wechselstrom und hat eine Grundfrequenz F0 von beispielweise 25 kHz oder 50 kHz. Eine Stromstärke des Primärstroms I1 beträgt beispielweise 60 A oder 90 A.
Der Primärleiter 11 ist beispielsweise in einem Boden verlegt, auf welchem der mobile Verbraucher sich bewegt. Der Primärleiter 11 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt. Der Übertragerkopf 50 des mobilen Verbrauchers befindet sich in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Primärleiter 11. Insbesondere ist der Übertragerkopf 50 dabei derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 mit dem Primärleiter 11 induktiv gekoppelt ist. Somit ist Energie von der Energiequelle 40 über den Primärleiter 11 zu der Tertiärwicklung 31 und damit zu dem Verbraucher übertragbar.
Der mobile Verbraucher fährt auf dem Boden, beispielsweise in einer technischen Anlage wie einem Produktionswerk. Dabei ist der Übertragerkopf 50 insbesondere entlang des Primärleiters 11 bewegbar. Somit ist während der Fahrt des mobilen Verbrauchers Energie von der Vorrichtung 20 zu dem Verbraucher übertragbar.
Die Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung umfasst auch einen Sekundärleiter 12. Der Sekundärleiter 12 ist in Form einer Sekundärschleife 22 gelegt und weist eine zweite Induktivität L2 auf. Die Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung umfasst ferner eine Kapazität C2. Der Sekundärleiter 12 ist mit der Kapazität C2 elektrisch derart verbunden, dass die zweite Induktivität L2 und die Kapazität C2 einen Schwingkreis bilden. Der Sekundärleiter 12 ist ebenfalls beispielsweise in dem Boden verlegt, auf welchem der mobile Verbraucher sich bewegt. Der Sekundärleiter 12 ist dabei nahe an der Oberfläche des Bodens verlegt.
Die Primärschleife 21 und die Sekundärschleife 22 sind derart gelegt, dass der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge D parallel verlaufen. Dabei sind der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt, dass der Sekundärleiter 12 von einem Sekundärstrom I2 durchflossen wird. Der Primärstrom I1 in dem Primärleiter 11 induziert dabei über die besagte induktive Kopplung den Sekundärstrom I2 in dem Sekundärleiter 12.
In der hier gezeigten Darstellung befindet sich der Übertragerkopf 50 des mobilen Verbrauchers in dem Kopplungsbereich und in unmittelbarer Nähe des Bodens über dem Sekundärleiter 12. Insbesondere ist der Übertragerkopf 50 dabei derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 auch mit dem Sekundärleiter 12 induktiv gekoppelt ist. In dem Kopplungsbereich ist der Übertragerkopf 50 somit derart angeordnet, dass die Tertiärwicklung 31 mit dem Primärleiter 11 und mit dem Sekundärleiter 12 induktiv gekoppelt ist.
Die Sekundärschleife 22 ist vorliegend innerhalb der Primärschleife 21 angeordnet. In dem Kopplungsbereich sind dabei der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 unmittelbar nebeneinander verlegt. Die Primärschleife 21 und die Sekundärschleife 22 weisen somit eine annähernd gleiche Schleifenbreite B auf. Die Schleifenbreite B ist dabei eine Ausdehnung der Primärschleife 21 sowie der Sekundärschleife 22 rechtwinklig zu der Kopplungslänge D. Vorliegend ist die Schleifenbreite B kleiner ist als die Kopplungslänge D. Es ist auch denkbar, dass die Schleifenbreite B größer als die Kopplungslänge D ist.
In dem Kopplungsbereich sind der Primärleiter 11 und der Sekundärleiter 12 annähernd in einer Ebene verlegt, welche sich parallel zu der Oberfläche des Bodens erstreckt. Vorliegend weist die Sekundärschleife 22 genau eine Windung auf. Es ist auch denkbar, dass die Sekundärschleife 22 eine Mehrzahl von Windungen aufweist.
Der Primärstrom I1 in dem Primärleiter 11 erzeugt ein erstes Magnetfeld. Der Sekundärstrom I2 in dem Sekundärleiter 12 erzeugt ein zweites Magnetfeld. Das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld. Bei einer Energieübertragung von der Vorrichtung 20 zu dem Verbraucher durchdringt das Gesamtmagnetfeld die Tertiärwicklung 31 des Übertragerkopfs 50. Die zu dem Verbraucher übertragbare Leistung hängt insbesondere von einer Feldstärke des Gesamtmagnetfelds ab.
2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Vorrichtung 20 zur berührungslosen Energieübertragung. Die Vorrichtung 20 umfasst, wie bereits erwähnt, die Energiequelle 40, welche eine Stromquelle 42 aufweist. Die Stromquelle 42 liefert den Primärstrom I1 mit der Grundfrequenz F0. Der Primärstrom I1 fließt durch den Primärleiter 11 mit der ersten Induktivität L1. Über der Energiequelle 40 fällt dabei eine erste Spannung U1 ab.
Der Sekundärstrom I2 fließt durch den Sekundärleiter 12 mit der zweiten Induktivität L2 und durch die Kapazität C2. Über der Kapazität C2 fällt dabei eine zweite Spannung U2 ab. Die zweite Induktivität L2 und die Kapazität C2 bilden, wie bereits erwähnt, einen Schwingkreis. Die induktive Kopplung zwischen dem Primärleiter 11 und dem Sekundärleiter 12 ist durch eine Gegeninduktivität M dargestellt.
In der Primärschleife 21 gilt näherungsweise, mit der Kreisfrequenz ω = 2 π F0: $U 1 = l 1 * L 1 * ω + l 2 * M * ω$
In der Sekundärschleife 22 gilt näherungsweise, mit der Kreisfrequenz ω = 2 π F0: $U 2 = l 1 * M * ω + l 2 * L 2 * ω = l 2 / (C 2 * ω)$
Aus [Gl. 2] folgt: $\begin{matrix} l 1 * M * ω = l 2 / (C 2 * ω) - l 2 * L 2 * ω \\ (l 1 /l 2) * M = 1 / (C 2 * ω 2) - L 2 \end{matrix}$
Die zweite Induktivität L2 und die Gegeninduktivität M sind weitgehend durch die Ausgestaltung des Primärleiters 11 und des Sekundärleiters 12, sowie die geometrische Anordnung der Primärschleife 21 und der Sekundärschleife 22 bestimmt. Die Kapazität C2 ist je nach gewünschter Anwendung wählbar.
Aus [Gl. 3] folgt:

Wenn L2 < 1 / (C2 * ω2) dann I1 / I2 > 0

C2 < 1 / (L2 * ω2) dann I1 / I2 > 0
Wenn I1/I2 > 0 dann fließen der Primärstrom I1 und der Sekundärstrom I2 gleichphasig. Das vom dem Primärstrom I1 erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom I2 erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gleichphasig. Das erzeugte Gesamtmagnetfeld weist somit eine Feldstärke auf, die größer ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine größere Leistung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Aus [Gl. 3] folgt ferner:

Wenn L2 > 1 / (C2 * ω2) dann I1 / I2 < 0

C2 > 1 / (L2 * ω2) dann I1 / I2 < 0
Wenn I1 / I2 < 0 dann fließen der Primärstrom I1 und der Sekundärstrom I2 gegenphasig. Das vom dem Primärstrom I1 erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom I2 erzeugte zweite Magnetfeld sind dann ebenfalls gegenphasig. Unter der Annahme, dass der Sekundärstrom I2 betragsmäßig kleiner ist als der Primärstrom I1, weist das erzeugte Gesamtmagnetfeld somit eine Feldstärke auf, die kleiner ist als die Feldstärke des ersten Magnetfeldes. In dem Kopplungsbereich ist somit eine kleinere Leistung zu dem Verbraucher übertragbar als in einem Bereich, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Aus [Gl. 3] folgt weiter:

Wenn L2 = 1 / (C2 * ω2) dann I1 / I2 = 0

C2 = 1 / (L2 * ω2) dann I1 / I2 = 0
Wenn I1 / I2 = 0 dann ist ω2 = 1 / (C2 * L2). Der Schwingkreis weist in diesem Fall also eine Resonanzfrequenz FR auf, welche der Grundfrequenz F0 entspricht. $FR = 1 / (2 π (sqrt (L 2 * C 2)) = F 0$
Wenn die Resonanzfrequenz FR des Schwingkreises der Grundfrequenz F0 entspricht, so fließt ein verhältnismäßig großer Sekundärstrom I2, welcher gegebenenfalls eine Zerstörung der Vorrichtung 20 verursacht.
3 zeigt qualitativ eine Abhängigkeit des Sekundärstroms I2 von der Kapazität C2 des Kondensators. Auf der Abszisse ist dabei die Kapazität C2 des Kondensators aufgetragen, auf der Ordinate ist der Sekundärstrom I2 aufgetragen. Die zweite Induktivität L2 und die Gegeninduktivität M werden dabei als konstant angenommen. Die Kapazität C2 des Kondensators ist variabel.
Wenn C2 < 1 / (L2 * ω2) dann fließen der Primärstrom I1 und der Sekundärstrom I2 gleichphasig. An der entsprechend markierten Stelle ist die Stromstärke des Sekundärstroms I2 halb so groß wie die Stromstärke des Primärstroms I1. Die in dem Kopplungsbereich zu dem Verbraucher übertragbare Leistung entspricht in diesem Fall 150% der Leistung, die in einem Bereich übertragbar ist, in welchem ausschließlich der Primärleiter 11 liegt.
Wenn C2 = 1 / (L2 * ω2) dann wird der Sekundärstrom I2 unendlich groß. Die Resonanzfrequenz FR des Schwingkreises entspricht in diesem Fall der Grundfrequenz F0.
Wenn C2 > 1 / (L2 * ω2) dann fließen der Primärstrom I1 und der Sekundärstrom I2 gegenphasig. An der entsprechend markierten Stelle ist die Stromstärke des Sekundärstroms I2 gleich groß wie die Stromstärke des Primärstroms I1. In dem Kopplungsbereich löschen sich das vom dem Primärstrom erzeugte erste Magnetfeld und das von dem Sekundärstrom erzeugte zweite Magnetfeld gegenseitig aus und das Gesamtmagnetfeld ist gleich null.
Bezugszeichenliste

11: Primärleiter
12: Sekundärleiter
20: Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung
21: Primärschleife
22: Sekundärschleife
31: Tertiärwicklung
40: Energiequelle
42: Stromquelle
50: Übertragerkopf
D: Kopplungslänge
B: Schleifenbreite
F0: Grundfrequenz
ω: Kreisfrequenz
FR: Resonanzfrequenz
C2: Kapazität
I1: Primärstrom
I2: Sekundärstrom
L1: erste Induktivität
L2: zweite Induktivität
M: Gegeninduktivität
U1: erste Spannung
U2: zweite Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10053373 B4 [0002]
DE 102006013004 A1 [0003]
DE 1020040551543 B4 [0004]
DE 102007024293 A1 [0005]
US 2012/0001497 A1 [0006]
US 2018/0278095 A1 [0007]
EP 2700140 B1 [0008]
DE 69227242 T2 [0009]

Claims

Vorrichtung (20) zur berührungslosen Energieübertragung zu einem mobilen Verbraucher, umfassend eine Energiequelle (40), welche einen Primärstrom (I1) erzeugt, und einen Primärleiter (11), welcher in Form einer Primärschleife (21) gelegt ist und eine erste Induktivität (L1) aufweist, wobei der Primärleiter (11) mit der Energiequelle (40) verbunden ist und von dem Primärstrom (I1) durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) einen Sekundärleiter (12), welcher in Form einer Sekundärschleife (22) gelegt ist und eine zweite Induktivität (L2) aufweist, und eine Kapazität (C2) umfasst, wobei der Sekundärleiter (12) mit der Kapazität (C2) derart verbunden ist, dass die zweite Induktivität (L2) und die Kapazität (C2) einen Schwingkreis bilden, und wobei die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) derart gelegt sind, dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) über einen Kopplungsbereich mit einer Kopplungslänge (D) parallel verlaufen, und dass der Primärleiter (11) und der Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich derart induktiv gekoppelt sind, dass der Sekundärleiter (12) von einem Sekundärstrom (I2) durchflossen wird.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) innerhalb der Primärschleife (21) angeordnet ist.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) genau eine Windung aufweist.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) genau eine Windung aufweist.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschleife (22) eine Mehrzahl von Windungen aufweist.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis derart ausgestaltet ist, dass der Primärstrom (I1) und der Sekundärstrom (I2) in dem Kopplungsbereich gleichphasig fließen.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis derart ausgestaltet ist, dass der Primärstrom (I1) und der Sekundärstrom (I2) in dem Kopplungsbereich gegenphasig fließen.
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des Sekundärstroms (I2) zumindest annähernd gleich groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms (I1).
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromstärke des Sekundärstroms (I2) zumindest annähernd halb so groß ist wie eine Stromstärke des Primärstroms (I1).
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) eine Schleifenbreite (B) aufweist, welche größer ist als die Kopplungslänge (D).
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) eine Schleifenbreite (B) aufweist, welche kleiner ist als die Kopplungslänge (D).
Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärschleife (21) und die Sekundärschleife (22) eine annähernd gleiche Schleifenbreite (B) aufweisen.
System zur berührungslosen Energieübertragung, umfassend eine Vorrichtung (20) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, und einen mobilen Verbraucher, welcher einen Übertragerkopf (50) zur Aufnahme von Energie aufweist, wobei der Übertragerkopf (50) eine Tertiärwicklung (31) umfasst und derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) induktiv gekoppelt ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf (50) derart angeordnet ist, dass die Tertiärwicklung (31) mit dem Primärleiter (11) und mit dem Sekundärleiter (12) in dem Kopplungsbereich induktiv gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf (50) entlang des Primärleiters (11) bewegbar ist.