DE202017007392U1

DE202017007392U1 - Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung

Info

Publication number: DE202017007392U1
Application number: DE202017007392.7U
Authority: DE
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2027-08-12

Abstract

Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung zumindest einer Sensoreinheit (107), wobei die Sensoreinheit (107) fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden ist, aufweisend:
- zumindest eine Primäreinheit (101), wobei die Primäreinheit (101) beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet ist; und
- zumindest zwei Sekundäreinheiten (102), wobei die zumindest zwei Sekundäreinheiten (102) fest mit der beweglichen Einheit verbunden sind und wobei die Sekundäreinheiten (102) elektrisch parallel verschaltet sind;
- wobei eine elektrische Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit (107) und der Sekundäreinheiten (102) drahtlos von der Primäreinheit (101) übertragbar ist
- wobei die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten (102) bei Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen kann
und
-wobei die bewegliche Einheit der Maschine eine Rotation ausübt, bevorzugt eine rotierende Walzeneinheit (108) ist, und die Sekundäreinheiten (102) radial an einer Stirnseite der rotierenden beweglichen Einheit angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drahtlosen Versorgen einer Sensoreinheit mit Energie. Die Sensoreinheit ist dabei fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden. Die Maschine dient insbesondere der Herstellung und/oder der Verarbeitung einer Materialbahn, insbesondere Papier-, Karton- oder Tissue-Bahn und weist dazu wenigstens eine rotierende Rolle als bewegliche Einheit auf.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bewegliche Einheiten, beispielsweise eine rotierende Walze oder ein Förderband, einer Maschine weisen beispielweise Einheiten, insbesondere Sensoreinheiten auf, um den Zustand der Maschine und/oder deren Umgebung überwachen zu können. Diese Sensoreinheit kommuniziert bei Erhalt ausreichender Energie ihre erfassten Sensorwerte an eine Signalverarbeitungseinrichtung, in welcher diese Sensorwerte weiterverarbeitet und ausgewertet werden können.
Die Sensoreinheit muss mit Energie versorgt werden, um Sensordaten zu erfassen und bereitzustellen. Aufgrund der Bewegung der beweglichen Einheit der Maschine ist eine drahtgebundene Energieversorgung dieser Sensoreinheit häufig nicht möglich. Beispielsweise kann eine Walze in einer Maschine um ihre Längsachse rotieren, so dass es schwierig ist, Sensoreinheiten in und/oder an der Walze mit außerhalb der Walze angeordneten Energieversorgungsvorrichtungen zu verbinden.
In der DE 20 2012 012 490 U1 wird eine drahtlose Kommunikation zwischen einer Sensoreinheit und einer Auswerteeinheit beschrieben. Dabei weist eine Signalverarbeitungseinrichtung eine nicht an der Walze befestigte primäre Signalverarbeitungseinheit und eine an der Walze drehfest befestigte, drahtlos mit der primären Signalverarbeitungseinheit kommunizierende sekundäre Signalverarbeitungseinheit auf. Die Versorgung mit Energie erfolgt dabei zusammen mit der Kommunikationsverbindung. Dazu ist eine Antenne auf der primären Signalverarbeitungseinheit eingerichtet, sowohl Daten als auch Energie an die Sensoreinheit zu übertragen. Die Energie- und Datenübertragung erfolgt nur dann, wenn die primäre Signalverarbeitungseinheit in ausreichender Kommunikationsreichweite mit der sekundären Signalverarbeitungseinheit ist, was bei Betrachtung einer Rotation der Walze um ihre Längsachse nur zu einem geringen Bruchteil erfolgen kann, insbesondere, wenn primäre und sekundäre Signalverarbeitungseinheit direkt gegenüberliegend angeordnet sind und eine induktive Kopplung maximal ist. Somit ist die Energieversorgung der Sensoreinheit nicht permanent, sondern erfolgt nur in einem geringen Bruchteil des Betriebs der beweglichen Einheit der Maschine. Da dies unzureichend ist, um die Sensoreinheit verlässlich zu betreiben, befindet sich im Sensor ein Energiespeicher, beispielsweise in Form eines Akkumulators. Mit Hilfe dieses Energiespeichers wird die Sensoreinheit mit Energie versorgt. Derartige Energiespeicher müssen in aufwendiger Weise wieder aufgeladen und von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Zudem vergrößern sie den Platzbedarf der Sensoreinheit.
In der EP 1 653 207 A2 ist eine Sensoreinheit beschrieben, die an einer rotierenden Walze befestigt ist. Die Sensoreinheit kann drahtlos mit Energie versorgt werden, wobei mit jeder Umdrehung eine Primäreinheit Energie an eine Sekundäreinheit überträgt. Diese Anordnung von Primäreinheit und Sekundäreinheit verhindert ein stetiges Auslesen der Sensoreinheit und ein stetiges Überwachen der Sensorwerte. Zudem ist diese Art der Energieübertragung abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit. Bei einer zu großen Rotationsgeschwindigkeit verringert sich das Zeitfenster zur Übertragung der Sensorwerte zu einer Zeitlänge, die nicht ausreicht, die Sensorwerte komplett zu übertragen. Bei einer zu geringen Rotationsgeschwindigkeit ist der Zeitraum zwischen zwei Energieversorgungszeiträumen zu groß, um eine verlässliche Aussage über den Zustand der Maschine zu treffen.
Alle konventionellen drahtlosen Energieversorgungen verhindern eine konstante und permanente Energieversorgung der Sensoreinheit, sodass keine stete Überwachung eines Parameters in der Maschine möglich ist. Zudem sind diese Energieversorgungen zeitlich begrenzt, entweder weil der Energiespeicher entladen ist oder weil die Rotationsgeschwindigkeit keine Energieversorgung ermöglicht.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine drahtlose Energieversorgung für Sensoreinheiten in einer Maschine mit beweglichen Einheiten bereitzustellen, mit der die Sensoreinheit permanent von außerhalb einer beweglichen Einheit der Maschine mit Energie versorgt werden kann, um die Auswertung der in der Sensoreinheit erfassten Sensorwerte zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebenen technischen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung zumindest einer Sensoreinheit gelöst. Dabei ist die Sensoreinheit fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden. Die Vorrichtung weist zumindest eine Primäreinheit auf, wobei die Primäreinheit beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet ist. Die Vorrichtung weist zudem zumindest zwei Sekundäreinheiten auf, wobei die zumindest zwei Sekundäreinheiten fest mit der beweglichen Einheit verbunden sind und wobei die Sekundäreinheiten elektrisch parallel verschaltet sind, wobei eine elektrische Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit und der Sekundäreinheiten drahtlos von der Primäreinheit übertragbar ist und wobei die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten bei Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen kann.
Die Sensoreinheit ist fest mit der beweglichen Einheit verbunden, wodurch die oben beschriebenen Probleme bei der Energieversorgung vorhanden sind. Dabei kann die Sensoreinheit an oder in der beweglichen Einheit der Maschine angeordnet sein.
Als Sensoreinheit, auch Detektor, Aufnehmer oder Fühler bezeichnet, wird hierbei jede zum Erfassen einer physikalischen oder chemischen Größe geeignete Einheit verstanden. Diese physikalische oder chemische Größe ist beispielsweise eine Wärmemenge, eine Temperatur, eine Feuchtigkeit, ein Druck oder Zug, ein Schall, eine Helligkeit, eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung. Beispielsweise werden zur Überwachung von Druck und/oder Temperatur eines beweglichen Teils in einer Maschine druck- und/oder temperatursensitive Sensoreinheiten eingesetzt. Ebenfalls können Feuchtigkeitssensoren, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren etc. in/an dem beweglichen Teil der Maschine angeordnet sein.
Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte von der Sensoreinheit erfasst und in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umgeformt, um dieses als Sensorsignal bereitzustellen. Die dazu benötigte elektrische Energie wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt. Das Sensorsignal kann nunmehr stetig, d.h. lückenlos und ohne Unterbrechung überwacht werden und somit der entsprechende Parameter wesentlich genauer ausgewertet werden.
Zur Verarbeitung und zur Weiterleitung elektrischer Signale, wie sie beispielsweise von den oben beschriebenen Sensoren stammen können, werden üblicherweise Übertragungsvorrichtung, Signalgeber oder Rechnereinheiten (Computer) verwendet. Die Rechnereinheiten können insbesondere auch Datenspeicher zum Speichern der Messdaten umfassen. Diese können fest mit der beweglichen Einheit verbunden sein. Auch solche Vorrichtungen sollen als Teil einer breit aufgefassten Sensoreinheit verstanden und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Energie versorgt werden können. Im Rahmen dieser Anmeldung sollen zudem derartige Übertragungsvorrichtungen, Signalgeber, Rechnereinheiten oder Datenspeicher auch dann unter dem Begriff „Sensoreinheit‟ verstanden werden, wenn sie nicht oder nicht nur der Verarbeitung einer erfassten physikalischen oder chemischen Größe dienen.
Die Vorrichtung weist zumindest eine Primäreinheit auf, wobei die Primäreinheit beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet ist. Hierunter ist zu verstehen, dass die Primäreinheit insbesondere nicht Teil der beweglichen Einheit der Maschine ist.
Die Vorrichtung weist zudem zumindest zwei Sekundäreinheiten auf, wobei die zumindest zwei Sekundäreinheiten fest mit der beweglichen Einheit verbunden sind und wobei die Sekundäreinheiten parallel verschaltet sind (elektrisch). Eine elektrische Energie wird sodann von der Primäreinheit drahtlos an die zumindest zwei Sekundäreinheiten übertragen, wobei die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten bei Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen kann.
Die elektrische Energie wird demnach durch ein magnetisches Wechselfeld von der Primäreinheit an zumindest eine der zumindest zwei Sekundäreinheiten übertragen. In diesem Fall können primäre und die sekundäre Spulen ausgebildet sein. Das von der magnetischen primären Spule erzeugte magnetische Wechselfeld induziert in der sekundären Spule einen elektrischen Strom.
Die Primäreinheit und die zumindest zwei Sekundäreinheiten bilden eine Energieübertragung nach dem Übertrager-Prinzip, wobei die Primäreinheit eine Primärspule und jede Sekundäreinheit eine Sekundärspule aufweist. Die Energieübertragung erfolgt demnach durch induktive Kopplung von Primäreinheit und Sekundäreinheiten. Auf diese Weise wird eine Energieversorgung für eine Sensoreinheit in einer Maschine mit einer beweglichen Einheit bereitgestellt, die aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten unabhängig von dem Bewegen der beweglichen Einheit von der Primäreinheit an die Sensoreinheit übertragen wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unabhängig von einer Position der beweglichen Einheit stets zumindest eine Sekundäreinheit mit der Primäreinheit elektrisch, insbesondere induktiv gekoppelt ist, um Energie an die Sensoreinheit zu übertragen. Auf diese Weise erfolgt die Energieübertragung permanent und unabhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit von außerhalb der beweglichen Einheit, sodass Sensorwerte der Sensoreinheit permanent bereitgestellt und stetig ausgewertet werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist stets zwischen einer konstanten Anzahl von Sekundäreinheiten, bevorzugt mehr als zwei Sekundäreinheiten, und der Primäreinheit elektrische Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit drahtlos übertragbar. Dabei wird das Prinzip eines Serienresonanzkonverters angewendet, welcher in einem vollresonanten Betrieb arbeitet. Die Primäreinheit ist derart ausgestaltet, dass sie stets mit einer konstanten Anzahl von Sekundäreinheiten gekoppelt ist, um Energie zu übertragen. Wenn diese Anzahl größer 1 ist, kann ein Einschwing-Vorgang von durch die Bewegung der beweglichen Einheit zur Energieübertragung hinzukommende Sekundäreinheiten und/oder durch Ausschwing-Vorgang von durch die Bewegung der beweglichen Einheit für die Energieübertragung wegfallende Sekundäreinheiten einfach kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind alle Sekundäreinheiten äquidistant und/oder achsensymmetrisch angeordnet. Unter einer äquidistanten Anordnung wird hierbei ein konstanter bzw. innerhalb eines Toleranzbereichs gleicher mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten Sekundäreinheiten verstanden. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen den Sekundäreinheiten so gewählt werden, dass im gesamten Bewegungsweg der beweglichen Einheit immer mindestens eine Sekundäreinheit mit der Primäreinheit gekoppelt ist und Energie übertragbar ist. Die Anordnung kann zudem symmetrisch, beispielsweise achsensymmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch sein. Die Anordnung der Sekundäreinheiten erfolgt dabei in einem Bewegungswegs, beispielsweise einem Bewegungsradius oder einer Bewegungsstrecke, der beweglichen Einheit. Durch eine derartige äquidistante und/oder achsensymmetrische, also im gleichen Abstand ausgerichtete Anordnung der Sekundäreinheiten, kann sichergestellt werden, dass stets zumindest eine Sekundäreinheit zur Energieübertragung in einem minimalen Abstand gegenüber der Primäreinheit ausgerichtet ist. Dies ermöglicht einen konstanten Energiefluss und führt so zu einer konstanten Energieversorgung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht zwischen zwei der Sekundäreinheiten ein größerer Abstand als zwischen den übrigen Sekundäreinheiten. Innerhalb dieses Abstands kann ein weiteres Bauelement, beispielsweise eine Positionserkennung platziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Länge der Primäreinheit einem Vielfachen der Länge einer Sekundäreinheit. Somit ist die Länge der Sekundäreinheit nur ein Bruchteil der Länge der Primäreinheit. Bevorzugt entspricht die Länge der Primäreinheit dreieinhalb Längen einer Sekundäreinheit. Mit Länge ist hierbei beispielsweise die bauliche Abmessung der energiewirkenden Elemente der jeweiligen Einheit gemeint. Alternativ kann unter der Länge auch die zur Energieübertragung effektive Strecke der jeweiligen Einheit verstanden werden.
Diese Längenbedingung zwischen Primäreinheit und Sekundäreinheit ermöglicht es, einen konstanten permanenten Energiefluss bereitzustellen, auch wenn die bewegliche Einheit in Bewegung ist, unabhängig von einer Bewegungsgeschwindigkeit. Durch die größere Länge der Primäreinheit überlappt die Primäreinheit mit einer Mehrzahl von Sekundäreinheiten, sodass stets zumindest eine, bevorzugt dreieinhalb Sekundäreinheiten induktiv mit der Primäreinheit gekoppelt sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung übt die bewegliche Einheit der Maschine eine Rotation aus und ist insbesondere eine um eine Längsachse rotierende Rollen- oder Walzeneinheit. Die Sekundäreinheiten sind dabei radial an einer Stirnseite der rotierenden beweglichen Einheit angeordnet. Die Sensoreinheit kann an jeder beliebigen Position innerhalb oder außerhalb der beweglichen Einheit angeordnet sein.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung übt die bewegliche Einheit der Maschine eine Translation aus, bevorzugt ist die bewegliche Einheit ein Förderband und die Sekundäreinheiten sind axial entlang der Translations-Bewegungsrichtung angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Primäreinheit zusätzlich einen Tiefsetzsteller und einen Wechselrichter. Auf diese Weise kann eine Gleichstromquelle als Konstantstromquelle, also als Energiequelle, verwendet werden. Die Anpassung der Schaltfrequenz des Tiefsetzstellers kann an Last- und Geometrieveränderungen des Übertragers bestehend aus Primäreinheit und Sekundäreinheiten angepasst werden. Mit Geometrieveränderung ist unter anderem eine aufgrund der Bewegung des beweglichen Teils veränderte Geometrie zu fassen. Unter einer Lastveränderung ist beispielsweise das Zu- und/oder Abschalten weiterer Sensoreinheiten der beweglichen Einheit der Maschine zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jede Sekundäreinheit mit einem Gleichrichter und einem Hochsetzsteller verbunden. Der Hochsetzsteller dient dazu, die empfangene Energie zu stabilisieren, wohingegen der Gleichrichter die als Wechselgröße übertragene Energie in eine Gleichgröße umsetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung speisen die zumindest zwei Sekundäreinheiten die übertragene elektrische Energie in einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator ein. Dieser Zwischenkreiskondensator kann somit minimale Schwankungen, die sich aufgrund der Bewegung der beweglichen Einheit in der Energieübertragung ergeben durch entsprechende Zwischenspeicherung (Puffern) der übertragenen Energie ausgleichen. Im Ergebnis ist die übertragene Energie konstant.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zehn oder mehr Sekundäreinheiten auf. Diese Einheiten sind axial oder radial - bevorzugt äquidistant und/oder achsensymmetrisch, angeordnet, wobei ein konstanter Bruchteil dieser Sekundäreinheiten zur permanenten Energieübertragung verwendet wird, ungeachtet einer Bewegung und einer Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Einheit der Maschine. Durch die hohe Anzahl von Sekundäreinheiten kann die Primäreinheit vergleichsweise geringere Abmessungen aufweisen, wodurch eine einfache Wartung und Montage ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Energieversorgung erst der Sensoreinheit bereitgestellt, wenn diese von den Sekundäreinheiten bereitgestellte Energie innerhalb eines vordefinierten Wertebereichs ist. Dies ermöglicht insbesondere das Ein- und Abschwingen bei Anlaufen und Anhalten der Maschine, um eine stabile Spannungsversorgung (Energieversorgung) bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein zu überbrückender Abstand zwischen Primäreinheit und den Sekundäreinheiten zur drahtlosen Energieübertragung geringer als 30 Millimeter, bevorzugt geringer als 15 Millimeter. In einem Grundzustand der Maschine, beispielsweise im kalten Zustand vor einem Betrieb der Maschine, ist der Abstand beispielsweise 12 Millimeter.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls durch ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung zumindest einer Sensoreinheit gelöst. Dabei sind zumindest die Sensoreinheit und zumindest zwei Sekundäreinheiten fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden. Zudem ist eine Primäreinheit beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Wechselrichten eines Gleichstroms; Anlegen des wechselgerichteten Gleichstroms an die Primäreinheit; und drahtloses Übertragen von elektrischer Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit und der Sekundäreinheiten mittels der Primäreinheit, wobei der Betrag der elektrischen Energie aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten konstant ist, beispielsweise die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten bei Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens stellt eine Konstantstromquelle den Gleichstrom bereit, der mittels eines Tiefsetzstellers und eines Wechselrichters umgeformt an die Primäreinheit angelegt wird und wobei die Sekundäreinheiten die elektrische Energie gleichrichten und in einem gemeinsamen Zwischenkreiskondensator einspeisen.
Figurenliste
Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Weiterbildung des in 1 gezeigten Blockschaltbilds;
3 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4a ein Ausführungsbeispiel einer Prinzipdarstellung zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4b ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 4a in einer Maschine mit einer beweglichen Einheit;
4c ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 4a in einer Maschine mit einer beweglichen Einheit;
5a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung von Sekundäreinheiten;
5b ein zu 5a alternatives Ausführungsbeispiel zum erfindungsgemäßen Anordnen von Sekundäreinhei ten;
6 eine erfindungsgemäße Sekundäreinheit;
7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Primäreinheit;
8 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrensablaufdiagramms eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

FIGURENBESCHREIBUNG
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur drahtlosen Energieversorgung dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist eine Primäreinheit 101 auf, die eingerichtet ist, drahtlos Energie an zumindest zwei Sekundäreinheiten 102a, 102b zu übertragen. Die Primäreinheit 101 ist beabstandet von den Sekundäreinheiten 102a, 102b angeordnet. Der Abstand d1 beträgt beispielsweise weniger als 30 Millimeter, bevorzugt beträgt der Abstand weniger als 15 Millimeter. Dieser Abstand d1 ermöglicht eine gute induktive Kopplung zwischen der Primäreinheit 101 und zumindest einer der zwei Sekundäreinheiten 102a, 102b und stellt somit eine sichere Energieversorgung dar.
Die Vorrichtung 100 gemäß 1 funktioniert mittels eines Übertragers 104, der eine Primärspule in der Primäreinheit 101 und pro Sekundäreinheit 102a, 102b zumindest eine Sekundärspule aufweist.
Diese Vorrichtung 100 dient der Versorgung einer Sensoreinheit (hier nicht dargestellt) in einer beweglichen Einheit einer Maschine mittels kontaktloser Energieübertragung. Dabei ermöglicht diese Vorrichtung 100 eine Anpassung der Systemleistung an die tatsächlich benötigte Leistung, wobei die Drehzahl und auch die Last der Energieübertragung adaptiv anpassbar ist. Die kontaktlose Energieübertragung erfolgt dabei auf einem vergleichsweise großen Geometriebereich. Beispielsweise werden an einer Stirnseite einer rotierenden Walze als bewegliche Einheit die Sekundäreinheiten 102a, 102b angeordnet, siehe auch Ausführungen zu 5a und 5b. Der Außendurchmesser dieser Stirnseite beträgt zwischen 500 und 1400 Millimeter und wird genutzt, um die Energie permanent an die Sensoreinheit zu übertragen. Der mittlere Abstand d1 zwischen der Primäreinheit 101 und der Sekundäreinheiten 102a, 102b soll zwischen 5 und 20 mm betragen. Im Grundzustand der Maschine, beispielsweise im Kaltzustand, beträgt der Abstand d1 bevorzugt 12 mm.
2 zeigt eine Weiterbildung der in 1 gezeigten Vorrichtung 100. Hierbei wird ein Tiefsetzsteller 103 verwendet, der die zu tragende Energie auf Basis seiner Schaltfrequenz an eine Last- und/oder Geometrieänderung an der Sekundäreinheit (nicht dargestellt) anpassen kann. Der Tiefsetzsteller 103, auch als Abwärtswandler oder Buck-Konverter bezeichnet, arbeitet im lückenden oder im nicht-lückenden Betrieb. Auf eine ausführliche Funktionsbeschreibung eines Tiefsetzstellers 103 wird hierbei verzichtet. Die Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers 103 wird beispielsweise einem Wechselrichter (nicht dargestellt) zugeführt. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters kann in Abhängigkeit von Last und/oder Geometrieänderungen schnell angepasst werden. So kann der angestrebte Arbeitspunkt der Vorrichtung 100 eingestellt werden. Die mittels Wechselrichter aufbereitete Wechselspannung wird mittels des Übertragers 104, bestehend aus Primäreinheit 101 und Sekundäreinheit 102 übertragen. Am Ausgang einer jeden Sekundäreinheit 102 ist ein Gleichrichter (nicht dargestellt) angeordnet, um die übertragene Energie in Form einer Wechselgröße in eine Gleichgröße umzusetzen. Zur Spannungsstabilisierung ist ein Hochsetzsteller 105 dem Übertrager 104 nachgeschaltet, der die bereits erhaltene Energie stabilisiert.
In 3 ist ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 gemäß der in 1 und 2 dargestellt. Hierbei ist die Primäreinheit 101 und eine Sekundäreinheit 102 dargestellt. Kern der Vorrichtung 100 ist der Übertrager 104, der aus einer Primärspule L2 und einer Sekundärspule L3 gebildet wird, die im mittleren Abstand d1 beabstandet sind. Der Übertrager 104 dient der kontaktlosen Übertragung der Energie zwischen der Primäreinheit 101 und der Sekundäreinheiten 102.
Die Primäreinheit 101 weist den Tiefsetzsteller 103 und einen Wechselrichter auf. Der Tiefsetzsteller 103 weist eingangsseitig einen Kondensator C1 auf, der zwei Eingangsanschlüsse der Vorrichtung 100 überbrückt. An diese Eingangsanschlüsse wird eine Konstantstromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Ein erster Eingangsanschluss ist mit einem Drainanschluss eines Schalters S1, hier ein selbstsperrender n-Kanal Feldeffekttransistor (FET), verbunden. Die Art des Schalters ist nicht beschränkt, insbesondere können auch andere FET-Typen, andere Kanäle, andere Topologien (bipolar) verwendet werden. Der Sourceanschluss des Schalters S1 ist mit der Kathode einer Diode D1 verbunden. Die Anode der Diode D1 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Tiefsetzstellers 103 verbunden. Der Sourceanschluss des Schalters S1 ist zudem mit einem ersten Anschluss einer Induktivität L1 verbunden. An einem zweiten Anschluss der Induktivität L1 ist ein erster Anschluss eines Kondensators C2 angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators C2 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Tiefsetzstellers 103 verbunden. Die Funktionsweise des Tiefsetzstellers 103 wird hierbei nicht näher erläutert.
Der erste Anschluss des Kondensators C2 ist zudem mit dem Wechselrichter verbunden. Der Wechselrichter umfasst vier Schalter S2 bis S5, hier als selbstsperrende n-Kanal FET dargestellt, und einen Kondensator C3. Der zweite Anschluss des Kondensators C2 ist jeweils mit dem Drainanschluss des Schalters S2 und des Schalters S3 verbunden. Der Sourceanschluss der Schalters S2 ist mit dem Drainanschluss des Schalter S4 verbunden. Der Sourceanschluss der Schalters S3 ist mit dem Drainanschluss des Schalter S5 verbunden. Die Sourceanschlüsse der Schalter S4 und S5 sind mit dem zweiten Eingangsanschluss des Tiefsetzstellers 103 verbunden. Der Sourceanschluss des Schalters S2 ist zudem mit einem ersten Anschluss des Kondensators C3 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Kondensators C3 ist mit einem ersten Anschluss der Primärspule L2 des Übertragers 104 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Primärspule L2 des Übertragers 104 ist wiederum mit dem Sourceanschluss des Schalters S3 verbunden.
Zum Betreiben des Übertragers 104 wird demnach eine leistungselektronische Schaltung verwendet. An der Primäreinheit 101 ist der Tiefsetzsteller 103 vorgesehen. Der Tiefsetzsteller auf der Primäreinheit 101 ist vorgesehen, einen Konstantstrom einzuprägen und somit je nach Last die Eingangsspannung des Wechselrichters einzustellen. Die Schaltfrequenz dieses Wechselrichters wird an die jeweiligen Schaltanschlüsse der Schalter S2 bis S5 angelegt. Diese Schaltfrequenz wird in Abhängigkeit von Last- und Geometrieänderungen schnell, also insbesondere innerhalb weniger Schaltperioden, angepasst. Somit kann der Arbeitspunkt des Wechselrichters eingestellt werden.
Die Sekundäreinheit 102 der Vorrichtung 100 ist mit dem Abstand d1 von der Primäreinheit 101 beabstandet. Jede der vorgesehenen Sekundäreinheiten 102 weist zumindest eine Sekundärspule L3 auf. Ein erster Anschluss der Sekundärspule L3 ist mit einem ersten Anschluss eines Kondensator C4 verbunden. Der zweite Anschluss des Kondensators C4 und der zweite Anschluss der Sekundärspule L3 sind mit einer Gleichrichtschaltung verbunden. Die Gleichrichterschaltung kann eine Einweg- oder eine Zweiweg-Gleichrichtung vornehmen, um die als Wechselgröße drahtlos übertragenen Energie in eine Gleichgröße umzusetzen. Gemäß 3 besteht die Gleichrichterschaltung aus den Dioden D2 bis D5, die in einer Graetz-Schaltung angeordnet sind. Eine Anode der Diode D2 ist mit dem zweiten Anschluss des Kondensators C4 verbunden. Eine Kathode der Diode D2 ist mit einer Kathode der Diode D3 verbunden. Die Anode der Diode D2 ist mit einer Kathode der Diode D4 verbunden. Eine Anode der Diode D4 ist mit der Anode der Diode D5 und mit dem zweiten Anschluss der Sekundärspule L3 verbunden. Eine Kathode der Diode D5 ist mit einer Anode der Diode D3 verbunden. Die Kathode der Diode D3 ist mit einem ersten Anschluss eines Zwischenkreiskondensators C5 verbunden. Die Anode der Diode D5 ist mit einem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators C5 verbunden. Somit wird an der Kathode der Diode D3 und der Anode der Diode D5 eine Gleichgröße abgegriffen. Diese Gleichgröße wird in den Zwischenkreiskondensator C5 eingespeist. An diesen Zwischenkreiskondensator C5 wird jede Sekundäreinheit 102 angeschlossen. Dieser Zwischenkreiskondensator C5 wird verwendet, um die Energie aus jeder der Sekundäreinheiten 102 zu puffern.
Der Zwischenkreiskondensators C5 ist zudem mit einem Hochsetzsteller 105 verbunden. Dazu ist ein erster Anschluss des Zwischenkreiskondensators C5 mit einem ersten Anschluss einer Induktivität L4 verbunden. Der zweite Anschluss der Induktivität L4 ist mit einer Anode einer Diode D6 verbunden. Eine Kathode der Diode D6 ist mit einem ersten Ausgang der Vorrichtung 100 verbunden. Der zweite Anschluss der Induktivität L4 ist zudem mit einem Drainanschluss eines Schalters S6, hier als selbstsperrende n-Kanal FET dargestellt, verbunden. Der Sourceanschluss des Schalters S6 ist mit einem zweiten Ausgangsanschluss der Vorrichtung 100 und dem zweiten Anschluss des Zwischenkreiskondensators C5 verbunden. Ein Kondensator C6 ist zudem zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen der Vorrichtung angeschlossen.
Die Vorrichtung 100 gemäß 3 bereitet die zu übertragende Energie derart auf, dass diese möglichst verlustarm über den Übertrager 104 an die Sensoreinheit (nicht dargestellt) übertragen werden kann. Hierzu wird die Wechselrichter-Schaltfrequenz an die Last- und Geometriegegebenheiten angepasst und ein idealer Arbeitspunkt für verlustarme und permanente Energieübertragung eingestellt. Der Wechselrichter und der Tiefsetzsteller 103 werden über eine Kontrolleinheit, beispielsweise einen Mikrokontroller, angesteuert. Mit der Frequenz des Wechselrichters wird dessen Ausgangsstrom und Ausgangsspannung auf Resonanz (Phasenunterschied von 0) geregelt. Mit dem Tiefsetzsteller 103 wird die Amplitude der zu übertragenden Energie (in Form von AC-Wechselspannung) geregelt, sodass der Übertrager 104 mit einem konstanten Wechselstrom betrieben wird. Somit wirkt der Ausgang der Primärspule L2 als Konstantstromquelle. Der Hochsetzsteller 105 auf der Sekundärseite ist vorgesehen, um den Lastbereich zu erweitern.
Die mehreren Sekundäreinheiten 102 werden hinter ihren Gleichrichtern parallel geschaltet und speisen alle den gleichen Zwischenkreiskondensator C5. Der Hochsetzsteller 105 stellt die Ausgangsspannung dann so ein, dass die benötigte Ausgangsleistung erhalten werden kann. Dynamisch wird die Belastung konstant gehalten, bzw. die Ausgangsspannung nur langsam ausgeregelt, um einen stabilen Arbeitspunkt für die Sensoreinheiten zu gewährleisten.
In 4a ist eine Prinzip-Darstellung zur Versorgung von Energie gemäß der Erfindung dargestellt. Die Energieversorgungsvorrichtung 100 gemäß 3 wird eingangsseitig mit einer Gleichstromquelle 106 betrieben. Am Ausgang der Energieversorgungsvorrichtung 100 ist zumindest eine Sensoreinheit 107 angeschlossen. Die Ausgestaltung der Sensoreinheit 107 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, zudem können verschiedene Sensoreinheiten 107 eine Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Größen erfassen. Vorzugsweise wird der Druck und/oder die Temperatur an verschiedenen Stellen einer beweglichen Einheit einer Maschine gemessen, insbesondere an verschiedenen Stellen in Umfangsrichtung einer rotierenden Walze und/oder an verschiedenen Stellen in axialer Richtung des Walzenbezugs, und/oder eines Förderbands.
Die 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 4a in einer Maschine mit einer beweglichen Einheit 108. Dabei ist eine stationäre Einheit 109 einer Maschine mit der Gleichstromquelle 106 und der Primäreinheit 101 ausgestattet. Die stationäre Einheit 109 ist insbesondere kein Bestandteil der beweglichen Einheit 108. Als bewegliche Einheit 108 ist hier beispielsweise eine um eine Längsachse rotierende Walze in einer Papierherstellungsmaschine dargestellt. An bzw. auf oder innerhalb der rotierenden Walze 108 ist eine Sensoreinheit 107 angeordnet. Diese Sensoreinheit 107 ist beispielsweise fest mit der Walze 108 verbunden. Um diese Sensoreinheit 107 mit Energie zu versorgen, ist die Sensoreinheit 107 elektrisch mit der Sekundäreinheit 102 verbunden. Die gemäß 4b dargestellte Sekundäreinheit 102 beinhaltet beispielsweise zehn Sekundäreinheiten 102a bis 102j. Zur Energieübertragung zwischen der Primäreinheit 101 und der Sekundäreinheiten 102 wird eine induktive Kopplung der Primärspule L1 und der Sekundärspule L2 einer jeden Sekundäreinheit 102 verwendet, wie sie gemäß 3 dargestellt ist.
Bei Walzen 108, z. B. in der Pressenpartie oder im Kalander, in bahnverarbeitenden Maschinen kann sich die Temperatur während des Betriebs um mehrere 10 Grad Celsius ändern. Dies kann bei diesen Walzen 108, die oftmals eine Länge von 10 Meter oder mehr haben, zu Längenänderungen von 2 Zentimetern bis zu 5 Zentimetern oder mehr führen. Dies führt wiederum in der Sekundärspule L3 zu Spannungsänderungen von mehren Volt. Diese Spannungsänderungen können zur Beschädigung und/oder zur Beeinträchtigung des Betriebs der Sensoreinheit 107 und/oder der Sekundäreinheit 102 führen. Erfindungsgemäß können diese Geometriesschwankungen durch entsprechende Tiefsetzsteller- und Hochsetzsteller-Ansteuerungen kompensiert werden.
Die Sensoreinheit 107 kann beispielsweise mehrere faseroptische Sensoren, beispielsweise Bragg-Gitter, eine Lichtquelle sowie einen Lichtempfänger umfassen. Diese stehen derart miteinander in Wirkverbindung, dass die faseroptischen Sensoren ein von der Lichtquelle erzeugtes Lichteingangssignal empfangen und der Lichtempfänger in Antwort darauf von den faseroptischen Sensoren durch ein Messsignal beaufschlagt wird. Das Messsignal kann hierbei bspw. dadurch erzeugt werden, dass jeder der Sensoren ein Lichtausgangssignal in Antwort auf das einwirkende Lichteingangssignal und in Abhängigkeit von Druck und/oder Temperatur im Bereich des jeweiligen Sensors an den Lichtempfänger aussendet. Durch diesen Aufbau lässt sich auf besonders einfache Weise ein kostengünstiges und zuverlässiges System bereitstellen. Vorzugsweise bilden hierbei die Lichtquelle und der Lichtempfänger eine in einem Gehäuse untergebrachte Baugruppe, an welche die faseroptischen Sensoren angeschlossen werden.
Beispielsweise ist ein Lichtwellenleiter vorgesehen, der mehrere der Faser-Bragg-Gitter umfasst, wobei die Faser-Bragg-Gitter desselben Lichtwellenleiters zueinander unterschiedliche Bragg-Wellenlängen haben. Durch die Verwendung von Faser-Bragg-Gittern mit unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen ist der Betrieb der Walze 108 besonders einfach möglich, da die verschiedenen Sensoreinheiten 107 durch ein breitbandiges Lichtsignal, bspw. im IR-Wellenlängenbereich, angeregt werden können. Die Sensoreinheiten 107 können sodann ein Reflexionssignal zurücksenden, das für jede der Sensoreinheiten 107 bei einer für diese Sensoreinheit 107 charakteristischen Wellenlänge liegt. Damit kann das jeweilige Sensorsignal auf einfache Art und Weise jeder Sensoreinheit 107 und daraus folgend dem jeweiligen Ort an dem die Druck- und/oder Temperatureinwirkung stattgefunden hat, zugeordnet werden kann.
Die Sensoreinheit 107 gemäß 4b ist beispielsweise dazu ausgelegt den auf die äußere Mantelfläche des Walzenbezugs einwirkenden Druck und/oder Temperatur im Walzenbezug zu erfasen. Die Sensoreinheit 107 ist drehfest an der Walze 108 befestigt. Zur Verarbeitung der Messsignale und zur Steuerung der Sensoreinheit 107 ist eine Signalverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) vorgesehen.
4c zeigt ein zu 4b alternatives Ausführungsbeispiel zur Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 4a in einer Maschine mit einer beweglichen Einheit. Nachfolgen wird nur auf Unterschiede zu 4b eingegangen, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. Im Unterschied zu 4b übt die bewegliche Einheit 108 der Maschine keine Rotationsbewegung aus, sondern eine Translationsbewegung. Dies erfolgt beispielsweise an einem Förder- oder Transportband. Zur Erfassung der Sensorwerte von an der beweglichen Einheit 108 angeordneten Sensoreinheit 107 wird die Vorrichtung 100 vorgesehen, wobei eine Mehrzahl von Sekundäreinheiten 102a - 102c axial äquidistant angeordnet sind, um eine permanente Energieübertragung zu gewährleisten.
5a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung von Sekundäreinheiten 102. In 5a ist eine Platine 1021 mit acht Sekundäreinheiten 102a bis 102h dargestellt. Die Sekundäreinheiten 102a bis 102h sind radial und äquidistant angeordnet. Die Sekundäreinheiten 102a bis 102h gemäß 5a sind achsensymmetrisch angeordnet. Die acht Sekundäreinheiten 102a bis 102h werden bei Rotation einer beweglichen Einheit um ihre Längsachse, beispielsweise der Walze 108 der 4b, ebenfalls rotiert (durch den Pfeil dargestellt). Während der Bewegung werden nacheinander alle Sekundäreinheiten 102a bis 102h an der Primäreinheit 101, insbesondere der Primärspule L2 gemäß 3 vorbeigeführt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass unabhängig von der Art der Rotationsbewegung (gleichförmig, schrittweise, beschleunigend) und der tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeit stets eine konstante Anzahl von Sekundäreinheiten 102a bis 102h induktiv mit der Primäreinheit 101 gekoppelt ist. Dabei ist die Platine 1021 der Sekundäreinheiten 102 an einer Stirnseite der rotierenden Walze 108 angeordnet.
5b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung von Sekundäreinheiten 102. In 5b ist ebenfalls eine Platine 1021 zum Anordnen der Sekundäreinheiten 102a bis 102h dargestellt. Zwischen der Sekundäreinheit 102g und der Sekundäreinheit 102h ist eine Positionserkennungseinheit 111 angeordnet. Um diese Anordnung zu ermöglichen, ist der Abstand 111 zwischen der Sekundäreinheit 102h und der Sekundäreinheit 102g größer als zwischen den übrigen Sekundäreinheiten 102a bis 102g. Diese Änderung im Abstand 111 zwischen den Sekundäreinheiten 102 erzeugt mit unter eine Welligkeit bei der empfangenen Energie auf der Sekundärseite des Übertragers 104, die mittels des Zwischenkreiskondensators C5 gemäß 3 ausgleichbar ist und auch mittels des Hochsetzstellers 105 ausgeregelt werden kann.
Die Sekundäreinheit 102 soll insbesondere ohne Ausbau der beweglichen Einheit 108, beispielsweise um die jeweilige Achse, herum montiert werden. Auf diese Weise wird die Sekundärseite des Übertrages 104 beispielsweise in zwei Teilen, insbesondere dem halben Umfang, realisiert. Jede Sekundäreinheit 102 wird auf der Sekundärseite, also der Stirnseite der rotierenden Walze 108 verteilt. Beispielsweise werden 4 oder 5 Sekundäreinheiten auf einer halbkreisförmigen Platine 1022 angeordnet. Diese Anordnung erfolgt äquidistant oder mit einem Abstand 111 zwischen zwei der Sekundäreinheiten 102. Alle Sekundäreinheiten 102 sind parallel geschaltet und jeweils mit dem Zwischenkreiskondensator C5 und dem Hochsetzsteller 105 verbunden.
In 5b ist überdies eine axiale Anordnung der Sekundäreinheiten 102 gezeigt. Die im Inneren der Platine 1021 angeordneten Sekundäreinheiten 102 sind nicht referenziert, um die Lesbarkeit der 5b nicht weiter zu beeinträchtigen. Übt die Walze 108 als bewegliche Einheit nicht nur eine Rotation, sondern danach oder währenddessen auch eine Translation aus, so kann die Energieübertragung auch bei der Translation erfolgen. Somit wird permanent eine konstante Energie zwischen der Primäreinheit 101 und der Sekundäreinheit 102 übertragen und die Sensoreinheit 107 verbessert mit Energie versorgt, ungeachtet der Komplexität der Bewegungsart und Bewegungsrichtung der beweglichen Einheit 108 der Maschine. Die Anordnung der Sekundäreinheiten 102 erfolgt insbesondere achsensymmetrisch oder zumindest nahezu achsensymmetrisch, um einen konstanten Energiefluss bei Rotation oder Translation des beweglichen Teils 108 zu ermöglichen.
In 6 ist eine Platine 1022 einer Sekundäreinheit 102 dargestellt. Die Sekundäreinheit 102 weist eine Sekundärspule 1020 auf, die der Spule L3 der 3 entspricht. Damit die Sekundäreinheiten 102 parallel geschaltet werden können, sind diese mittels zweier elektrischer Anschlüsse 1023 parallel schaltbar. Nicht dargestellt sind die Dioden D2 bis D5 des Gleichrichters und der Kondensator C4 gemäß 3, die trotzdem auch auf der Platine 1022 angeordnet sind. Eine Länge Lsekundär stellt eine lineare Abmessung der Sekundäreinheit 102 dar. Diese Länge L_sekundär bildet die Wirkungsreichweite der induktiven Kopplung zwischen Primäreinheit 101 und dieser Sekundäreinheit 102 ab. Diese Länge Lsekundär ist kleiner als eine Länge L_primär der Primäreinheit 101, siehe 7. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Länge L_primär gleich 3,5 mal der Länge L_sekundär. Jedes der Sekundäreinheiten 102 besteht aus der Spule 1020, einer Ferritfolie, einem HF-Brückengleichrichter D2 bis D5 und einem Kondensator C4.
7 zeigt eine Platine 1011 der Primäreinheit 101 und die Primärspule 1010, die der Spule L2 gemäß 3 entspricht. Eine Länge L_primär stellt eine lineare Abmessung der Primäreinheit 101 dar. Diese Länge L_primär bildet die Wirkungsreichweite der induktiven Kopplung zwischen Primäreinheit 101 und dieser Sekundäreinheit 102 ab. Die Länge Lsekundär der Sekundäreinheit 102 ist kleiner als die Länge L_primär der Primäreinheit 101, siehe auch 6.
Die Primärspule L2 der in 3 dargestellten Übertrager 104 der Vorrichtung 100 dehnt sich gemäß 7 nur über einen Teil des Umfangs der rotierenden Walze 108 als bewegliches Teil aus, so dass eine Montage und Demontage sehr einfach möglich ist. Die Überdeckung der Sekundäreinheiten 102 ist beispielsweise 3,5-fach, so dass immer mindestens drei Sekundäreinheiten 102 induktiv mit der Primäreinheit 101 gekoppelt sind. Der Beitrag eines teilüberlappenden Elements ist sehr gering, wodurch die Änderung der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite bei Rotation oder Translation stark minimiert ist.
In 8 ist ein Verfahrensablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 dargestellt. Dabei wird gemäß Verfahrensschritt 201 ein Gleichstrom mittels einer Konstantstromquelle 106 bereitgestellt. Der Gleichstrom wird gemäß Schritt 202 wechselgerichtet. Zudem wird der Arbeitspunkt gemäß Schritt 203 durch einen Tiefsetzsteller 103 eingestellt. Dieser Gleichstrom wird an die Primäreinheit 101 in Schritt 204 angelegt. Anschließend erfolgt in Schritt 205 die drahtlose Übertragung der Energie an zumindest eine der zwei Sekundäreinheiten 102. In der jeweiligen Sekundäreinheit 102 erfolgt eine Gleichrichtung mittels eines Gleichrichters D2 bis D5 und das Anschalten dieses gleichgerichteten Energiesignals an einen Zwischenkreiskondensator C5 gemäß Schritt 206 zur Energiezwischenspeicherung. Anschließend erfolgt mittels Hochsetzsteller 104 eine Spannungsstabilisierung im Schritt 207. Im Überprüfungsschritt 208 wird geprüft, ob die Energie ausreichend konstant ist, um eine Sensoreinheit 107 mit Energie zu versorgen. Ist dies der Fall (Ja-Fall in 8), erfolgt die Versorgung der Sensoreinheit 107 mit der Energie im Schritt 209. Erfolgt dies nicht (NEIN-Fall in 8), wird erneut eine Stabilisierung erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Energieversorgungsvorrichtung
101: Primäreinheit
1010: Spule der Primäreinheit
1011: Platine der Primäreinheit
102 (a-h): Sekundäreinheit
1020: Spule einer Sekundäreinheit
1021: Träger der Sekundäreinheiten
1022: Platine einer Sekundäreinheit
1023: Elektrischer Anschluss
103: Tiefsetzsteller
104: Übertrager
105: Hochsetzsteller
106: Gleichstromquelle
107: Sensoreinheit
108: Rotierende Walzeneinheit
109: Stationärer Teil der Maschine
110: Positionserkennung
111: Abstand zwischen Sekundäreinheiten
201-209: Verfahrensschritte
D1-D6: Diode
S1-S6: Schaltelement
C1-C6: Kapazität
L1-L4: Induktivität
d1: mittlerer Abstand Primäreinheit zu zumindest einer Sekundäreinheit
Iprimär: Länge der Primäreinheit
Isekundär: Länge der Sekundäreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202012012490 U1 [0004]
EP 1653207 A2 [0005]

Claims

Vorrichtung zur drahtlosen Energieversorgung zumindest einer Sensoreinheit (107), wobei die Sensoreinheit (107) fest mit einer beweglichen Einheit einer Maschine verbunden ist, aufweisend: - zumindest eine Primäreinheit (101), wobei die Primäreinheit (101) beabstandet von der beweglichen Einheit angeordnet ist; und - zumindest zwei Sekundäreinheiten (102), wobei die zumindest zwei Sekundäreinheiten (102) fest mit der beweglichen Einheit verbunden sind und wobei die Sekundäreinheiten (102) elektrisch parallel verschaltet sind; - wobei eine elektrische Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit (107) und der Sekundäreinheiten (102) drahtlos von der Primäreinheit (101) übertragbar ist - wobei die Energieversorgung aufgrund der Anordnung der Sekundäreinheiten (102) bei Bewegen der beweglichen Einheit permanent erfolgen kann und -wobei die bewegliche Einheit der Maschine eine Rotation ausübt, bevorzugt eine rotierende Walzeneinheit (108) ist, und die Sekundäreinheiten (102) radial an einer Stirnseite der rotierenden beweglichen Einheit angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei stets zwischen einer konstanten Anzahl von Sekundäreinheiten (102), bevorzugt mehr als zwei Sekundäreinheiten (102), und der Primäreinheit (101) elektrische Energie zur Energieversorgung der zumindest einen Sensoreinheit (107) drahtlos übertragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei alle Sekundäreinheiten (102) äquidistant und/oder achsensymmetrisch im Bereich des Bewegungswegs der beweglichen Einheit angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen zwei der Sekundäreinheiten (102) ein größerer Abstand als zwischen den übrigen Sekundäreinheiten (102) besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Primäreinheit (101) einem Vielfachen der Länge einer Sekundäreinheit (102) und einem Bruchteil der Länge einer Sekundäreinheit (102), bevorzugt dreieinhalb Längen einer Sekundäreinheit (102), entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bewegliche Einheit der Maschine eine Translation ausübt, bevorzugt ein Förderband ist, und die Sekundäreinheiten (102) axial entlang der Translations-Bewegungsrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Primäreinheit (101) einen Tiefsetzsteller (103) und einen Wechselrichter umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Sekundäreinheit (102) mit einem Gleichrichter und einem Hochsetzsteller (105) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundäreinheiten (102) die übertragene elektrische Energie in einen gemeinsamen Zwischenkreiskondensator (C5) einspeisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zehn oder mehr Sekundäreinheiten (102) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Energieversorgung erst der Sensoreinheit (107) bereitgestellt wird, wenn die von den Sekundäreinheiten (102) bereitgestellte Energie innerhalb eines vordefinierten Wertebereiches ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zu überbrückender Abstand zwischen Primäreinheit (101) und den Sekundäreinheiten (102) zur drahtlosen Energieübertragung geringer als 30 Millimeter, bevorzugt geringer als 15 Millimeter ist.