DE19735685A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung elektrischer Energie - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieübertragungsvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Gattungsgemäße Energieübertragungsvorrichtungen werden zur Übertragung
elektrischer Energie von einer stationären Stromleitung eines primären Stromkreises auf
den sekundären Stromkreis eines beweglichen Verbrauchers benutzt. Mögliche
Einsatzfälle sind beispielsweise Industriemontagesysteme oder Personenfahrzeuge.
Vorteilhaft ist dabei die berührungslose induktive Energieübertragung. Sie gestattet den
Verzicht auf verschleißanfällige Schleifkontakte. Außerdem entfallen Schwierigkeiten bei
der Absicherung blankliegender Leitungen bei Montage der Stromleitung am Boden und
mangelhafte Kontaktierung infolge verschmutzter Leitungsstränge. Durch eine
Verlegung der Leitungen in Boden, Decke oder Wänden kann sogar die Stolpergefahr
bisher üblicher Stromführungsschienen beseitigt werden.
Problematisch bei bekannten Systemen ist der gleichzeitige Betrieb mehrerer
Verbraucher. Ursache hierfür ist die Wechselwirkung zwischen Verbraucher und
stationärer Stromleitung.
Im normalen Betrieb wird der primäre Stromkreis von Wechselstrom durchflossen. Der
sekundäre Stromkreis des Verbrauchers bildet einen Schwingkreis, der über die Spule
mit dem Primärkreis gekoppelt ist und resonant zur Frequenz des Primärkreises
mitschwingt.
Entnimmt ein Verbraucher dem Primärkreis weniger Energie, so bedeutet dies eine
erhöhte Impendanz im Verbraucherstromkreis. Durch den transformatorischen Effekt
wird diese Impendanz in den Primärkreis gespiegelt. Durch diese erhöhte Impendanz im
Primärkreis wird der Stromfluß durch den Primärstromkreis und somit die Versorgung
anderer Verbraucher behindert. Wird gar keine Energie entnommen, so blockiert die
Spule des Verbrauchers den Stromfluß im Primärleiter vollständig. Weitere Verbraucher
können also unabhängig vom ersten nicht betrieben und nicht einzeln in ihrer
Leistungsentnahme reguliert werden.
Ein Ansatz dazu läßt sich der Patentschrift PCT 92/17929 entnehmen. Hier wird auf
jedem Verbraucher eine elektrische oder mechanische Entkopplungsvorrichtung
angebracht. Dieses Konzept erfordert jedoch z. B. auf Verbraucherfahrzeugen den
Transport einer aufwendigen Entkopplungsvorrichtung beispielsweise eines
hydraulischen Hubkolbens.
Es besteht daher die Aufgabe, eine gattungsgemäße Energieübertragungsvorrichtung so
zu gestalten, daß mehrere Verbraucher auf einfache Weise unabhängig voneinander mit
Energie versorgt werden können.
Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der begleitenden Zeichnungen
detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein induktives Energieübertragungssystem nach dem Stand der Technik
Fig. 2 eine Energieübertragungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Eine Energieübertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik besitzt einen
primären Stromkreis mit einer Stromleitung 2, der über eine Wechselspannungsquelle 1
mit Energie versorgt wird. Zum resonanten Betrieb des Stromkreises sind in bestimmten
Abständen Kondensatoren 3 in die Stromleitung 2 integriert.
Zur Entnahme von Energie aus dem Primärstromkreis besitzen die Stromverbraucher
100 und 200 jeweils eine Spule 5, die um einen beispielsweise U-förmigen Ferritkern 4
gewickelt ist. Diese Spule 5 ist über Stromleitungen 6 mit einem Verbraucherwiderstand
7 verbunden. Dieser Verbraucherwiderstand 7 kann beispielsweise ein Fahrzeugmotor
oder eine Regelungsschaltung sein. Weiterhin besitzt der sekundäre Stromkreis eine als
Kondensator wirkende Vorrichtung, die parallel zum Verbrauchswiderstand 7 an der
Spule 5 anliegt. Dies ist notwendig, damit der sekundäre Stromkreis einen Resonanzkreis
bilden kann. Auf die Darstellung des Kondensators wurde der Übersichtlichkeit halber
jedoch verzichtet.
Wird nun an der Spannungsquelle 1 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, so
fließt ein Wechselstrom durch die Stromleitung 2. Um diese bildet sich ein
elektromagnetisches Feld aus. Es führt durch die Magnetisierung des U-förmigen
Ferritkernes zu einer Ladungsverschiebung in der Spule 5. Die hochfrequente
Richtungsänderung des Stromes in der Stromleitung 2 führt zu einer ständigen Umkehr
des elektromagnetischen Feldes und somit zu einem resonanten Richtungswechsel der
Ladungsverschiebungen in der Spule 5. Der so induzierte Wechselstrom kann über die
Leitungen 6 einem Verbrauchswiderstand 7 zugeführt werden.
Fig. 2 stellt eine Energieübertragungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dar.
Das System benutzt die Verbraucher und Teile des Primärstromkreises nach dem Stand
der Technik von Fig. 1. Gleiche Bauteile werden mit den gleichen Nummern wie in Fig. 1
belegt.
Das System besitzt eine primäre Stromleitung 2 mit einer Wechselspannungsquelle 1.
Parallel zur Stromleitung 2 verläuft eine Hilfsleitung 8. Diese Hilfsleitung 8 ist in
bestimmten Abständen an Verbindungsstellen 10, 11 mit der Stromleitung 2 verbunden.
Im vorliegenden Beispiel wurden als Verbindungsstellen die Kondensatoren 3 gewählt.
Zwischen jeweils zwei dieser Verbindungsstellen ist in der Hilfsleitung 8 eine
Überwachungsvorrichtung 43 vorgesehen. Parallel zu jeder Überwachungsvorrichtung
43 ist eine Stromabzweigung 42 mit einem Schalter 41 zugeordnet, der über die
Überwachungsvorrichtung 43 geöffnet und geschlossen werden kann.
Benötigt ein Verbraucher 100 die maximale Leistung aus der Stromleitung 2, so schaltet
die Überwachungsvorrichtung 43 des jeweils betroffenen Streckenabschnittes zwischen
zwei benachbarten Verbindungsstellen 10, 11 den Schalter 41 in den geöffneten Zustand.
Auf diese Weise kann der Strom nicht durch die Hilfsleitung 8 fließen, da sowohl die
Überwachungsvorrichtung 43 als auch der geöffnete Schalter 41 nicht leiten. Der
gesamte Strom fließt in diesem Fall nur durch die Stromleitung 2 und somit bei der Spule
5 des Verbrauchers 100 entlang.
Benötigt ein Verbraucher 100 eine geringere Leistung so schließt die
Überwachungsvorrichtung 43 den Schalter 41. Dadurch fließt der Strom nicht nur über
die Stromleitung 2, sondern auch über die Hilfsleitung 8 und die Abzweigungsleitung 42.
Auf diese Weise kann der Strom von der ersten Verbindungsstelle 10 sowohl über die
Stromleitung 2 als auch über die Stromleitung 8 und Abzweigungsleitung 42 zur
nächsten Verbindungsstelle 11 fließen. Das Feld der Stromleitung 2 ist somit weniger
stark ausgeprägt und die übertragene Leistung geringer.
Zur kontinuierlichen Regulierung der Leistung des Verbrauchers kann der Schalter 41
getaktet geschlossen werden. Durch die Regulierung der Taktfrequenz oder des
Tastverhältnisses lassen sich die Leistungsswerte zwischen einer maximalen Übertragung
bei ständig geöffnetem Schalter und einer minimalen bei ständig geschlossenem Schalter
einstellen.
Zur Vermeidung einer Blockierung der Leitung 2 durch einen abgeschalteten
Verbraucher 100 kann der Schalter 41 dauerhaft geschlossen werden. Auf diese Weise
wird in Streckenabschnitt 10-11 der gesamte Strom über die Hilfsleitung 8 und die
Abzweigungsleitung 42 zur nächsten Verbindungsstelle 11 weitergeleitet.
Ein veränderter Leistungsbedarf des Verbrauchers wirkt auf den Primärkreis zurück.
Dadurch kann die Steuerung des Schalters 41 von der Überwachungsvorrichtung 43
durch Messen der Spannung oder eines minimalen Meßstromflusses im lokalen
Hilfsleitungsabschnitt 8 ausgeführt werden. Bei vorgegebenen Werteabweichungen gibt
die Überwachungsvorrichtung 43 dann Schaltimpulse an Schalter 41 ab.
Eine andere Möglichkeit zur Steuerung des Schalters 41 besteht in der Übertragung von
Signalen der Verbraucher 100 selbst auf die Überwachungsvorrichtung 43. Dazu sind
berührungslose Datenübertragungseinrichtungen auf den Verbraucher 100, 200 und den
Überwachungsvorrichtungen 43 vorgesehen. Diese können induktiv, über Funk oder
nach einem sonstigen bekannten Prinzip arbeiten.
Dabei kann jeweils für jeden Leitungsabschnitt 8, wie in Fig. 2 gezeigt, eine eigene
Überwachungsvorrichtung 43 vorgesehen werden. Es ist jedoch auch möglich, mehrere
Streckenabschnitte gemeinsam von einer zentralen Überwachungsvorrichtung aus zu
steuern. Die Verbraucher 100, 200 wurden dazu beispielsweise ihre Signale an die
gemeinsame Überwachungsvorrichtung 43 senden. Diese könnte dann die jeweiligen
Schalter 41 den Anforderungen entsprechend schalten.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform können statt der Schalter 41 auch
veränderbare Regelwiderstände vorgesehen werden. Die Regulierung des Stromflusses
über die Hilfsleitungsabschnitte 8 würde dann nicht durch Öffnen oder Schließen eines
Schalters sondern durch Regulieren der Höhe eines Regelwiderstandes erfolgen.
Da die beschriebene Leistungssteuerung jeweils auf ein Streckensegment bezogen ist,
empfiehlt es sich, die Größe der Streckensegmente an die Größe der Verbraucher 100,
200 anzupassen. Eine andere Möglichkeit zur unabhängigen Steuerung der einzelnen
Verbraucher 100, 200 wäre die Einhaltung eines ausreichenden Betriebsabstandes.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Energie von einer primären, mit
Wechselstrom durchflossenen Stromleitung (2) auf eine Vielzahl sekundärer,
resonanter Verbraucherstromkreise (100, 200) mit jeweils mindestens einer Spule (5),
die dem elektromagnetischen Feld der Stromleitung (2) Energie entnimmt, dadurch
gekennzeichnet, daß parallel zur Stromleitung (2) eine Hilfsleitung (8) verläuft,
welche über mehrere Verbindungsstellen (10, 11) mit der Stromleitung (2) verbunden
ist, und daß in mindestens einem Leitungsabschnitt zwischen zwei Verbindungsstellen
(10, 11) ein regelbarer Widerstand (45) in der Hilfsleitung (8) vorgesehen ist, der
durch eine Überwachungsvorrichtung (43) gesteuert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare
Widerstand (45) durch einen Schalter (41) gebildet wird, der geschlossen bzw.
geöffnet werden kann, um die Hilfsleitung (8) leitend oder nicht leitend zu schalten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
Verbindungsstellen (10, 11) als Kondensatoren (3) gestaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schalter (41) getaktet geschlossen wird, um die Leistungsaufnahme eines
Verbrauchers (100, 200) zu steuern.
5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungsvorrichtung (43) die Spannung am regelbaren Widerstand (45)
mindestens eines Leitungsabschnittes überwacht und bei bestimmten
Werteänderungen Steuerimpulse für den regelbaren Widerstand (45) abgibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungsvorrichtung (43) den Stromfluß in mindestens einem Leitungsabschnitt
der primären Stromleitung (2) überwacht und bei bestimmten Werteänderungen
Steuerimpulse für regelbaren Widerstand (45) abgibt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Überwachungsvorrichtung (43) einen Meßstromfluß in mindestens einem
Leitungsabschnitt der Hilfsleitung (8) überwacht und bei bestimmten
Werteänderungen Steuerimpulse für regelbaren Widerstand (45) abgibt.
8. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Verbraucher (100, 200) eine Vorrichtung zur berührungslosen
Signalübertragung besitzt.
9. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Überwachungsvorrichtung (43) berührungslos übertragene Signale eines
Verbrauchers (100, 200) empfängt und in Abhängigkeit davon Steuerimpulse für
mindestens einen regelbaren Widerstand (45) abgibt.
10. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Überwachungsvorrichtung (43) Signale mehrerer Verbraucher (100, 200) empfängt
und mehrere regelbare Widerstand (45) gleichzeitig steuert.
11. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens einem Leitungsabschnitt (8) eine eigene Überwachungsvorrichtung (43)
zur Steuerung des lokalen regelbaren Widerstand (45) zugeordnet ist.
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