CN101213716B - 用于无接触能量传输的系统和运行该系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无接触能量传输的系统，它包含一馈电装置，该馈电装置将中频交流电流注入一初级导体中，至少一个用于给一个负载供电的次级线圈感应耦合在该初级导体上，其中，所述馈电装置设计成能够对交流电流进行脉冲宽度调制和/或幅值调制。

Description

用于无接触能量传输的系统和运行该系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于无接触能量传输的系统和运行该系统的方法。

背景技术

从DE 100 53 373和特别是图1以及这里引用的文件已知一种无接触的能量传输系统。这种系统具有一个馈电装置，其把中频的交流电流注入到伸长/长形的初级导体中。移动负载/用电器沿着初级导体可以移动并且具有一个感应耦合到初级导体上的次级线圈，借助于该次级线圈可以接受能量。在工业应用中出现较高的电流，对于这种情况应将初级导体设计设计成具有相应较大的横截面，这自然导致较高的费用。此外伴随较高的电阻损耗。

发明内容

因此本发明的目的是，加强环境保护。

根据本发明，通过具有下述特征的系统和方法来实现所述目的。

对于系统，本发明的重要特征是，该系统设置用于无接触的能量传输并且

具有一馈电装置，该馈电装置把中频的交流电流注入伸长的初级导体，至少一个用于给负载供电的次级线圈感应耦合在该初级导体上，

其中该馈电装置设计成能够规定/预先确定、控制或调节交流电流的脉冲宽度和/或幅值变化曲线。

这里优点是，加强环境保护并且降低费用，因为降低了电阻损耗并因 此更好地利用电能。此外脉冲式运行是有利的，因为可以避免持续出现电弧。如果一个部件或一个电连接部在故障或失效的情况下断开，则产生电弧，只要电流存在，该电弧就可能持续存在。因为存在脉冲宽度、也就是供电电流不是持续存在，因此短时间地不给电弧供电。例如产生几ms、最好大于4ms的中断。在重新接通供电，也就是在初级导体中产生下一个电流脉冲的情况下，不再引发电弧，因为在分离位置的间隔对于当前电压来说太大。因此以脉冲的运行方式还附加地提高了设备的安全性。

主要通过从初级导体出发的感应传输传递负载的全部能量损耗。可以单独传输信息或通过将较高频率的电流分量调制到初级导体上来传输信息。这里如果初级电流消失，则当然也按需求进行信息传输。在有利的设计方案中，在初级电流没有消失的时间范围内传输信息，信息传输附加地与初级电流的过零同步。

在一个有利的设计方案中，初级导体设置成伸长的，特别是其中沿着初级导体可移动地布置负载。这里优点是，可以无接触地给轨道连接的或配备轨道导向天线(Spurführungsantenne)的车辆供电。

在一个有利的设计方案中，这样设置初级导体，即，使负载相对于初级导体布置成可旋转的。这里优点是，可以给在设备或机器、比如机械手或机床中的旋转台或其它旋转轴供电。

在一个有利的设计方案中，中频在9和100kHz之间。这里优点是，在低损耗的情况下可以使用电子的功率半导体、比如IGBT或MOSFET、用于接通初级导体强电流。因此可以到达较高的效率。

在一个有利的设计方案中，脉冲宽度、脉冲宽度持续时间和/或调幅的特征性时间、比如调幅周期大于中频电流的周期、特别是其十倍或更多。这里优点是，在较大路段电感的情况下，使得平均提供使用的初级电流量能够匹配于感应供电负载的需要。

在一个有利的设计方案中，脉冲宽度比与负载的能量缓冲器和功率损耗相协调。这里优点是，流经的电流小于最大可能的电流并因此电阻损耗较低。

在一个有利设计方案中，负载与分配给负载的次级线圈能够一起沿着初级导体可移动地布置。这里优点是，对于可移动的负载，可以设置无接触地供电。

在一个有利的设计方案中，给初级导体或初级导体的区段分别配设一线路控制器。这里优点是，可以准确地控制、调节和/或监控每个线路段。

在一个有利的设计方案中，包含用于馈电装置，线路控制器和/或负载的数据交换的单元。这里优点是，数据可以传递给馈电装置，然后由馈电装置考虑该数据。由此在初级导体中的电流可以与真正的需求匹配。

在一个有利的设计方案中，可以根据数据、比如一线路段中的负载数目、负载的能量缓冲器中的能量存量、负载相应的功率需求预先规定脉冲宽度、脉冲宽度比和/或馈电装置的幅值变化(曲线)。这里优点是，可以向初级导体中馈入尽可能少的电流。通过这种方式可以把电阻损耗限制到最小。

运行用于无接触能量传输系统的方法

对于方法，本发明的主要特征是，由馈电装置将中频交流电流注入伸长的初级导体中，在所述初级导体上感应耦合至少一个用于给至少一个负载供电的次级线圈，其中这样来馈入电流，即，使电阻损耗尽可能小或最小。因此改善了系统的效率并且具有较小截面的电缆可以用作初级导体。

特别是在馈入电流时规定、控制或调节脉冲宽度、脉冲宽度比和/或幅值变化(曲线)。这里可以有利地考虑这样的信息，比如在线路段中负载的数目、负载的能量缓冲器中的能量存量和/或负载的各自功率需求。

在一个有利的设计方案中，特别在负载出现之前，预先确定功率需求和/或负载功率需求的时间变化曲线。因此有利地可以超过临界值，因为可以确定电流变化曲线并因此也可以确定初级导体和其它元件准确的热负荷。因此始终可以考虑到最大的允许温度。

在一个有利的设计方案中，在初级导体中这样设置电流的时间变化曲线，即在一个时间段内超过电流的临界值，其中，当在初级导体中存在恒定的电流值时，该临界值是初级导体的最大允许电流值，并且该时间段是如此短暂，即在该时间段内的电流变化不会损坏初级导体。如果持续施加恒定的电流值、特别是交流电流的有效值，则有利地达到临界电流值。这里所产生的温度是主要的。在临界值的情况下到达临界温度，在超过时该温度导致初级导体损坏。由从属权利要求中得出其它的优点。

参考标号表

峰值

T周期

T_E接通持续时间

T_A断开持续时间

T_P脉冲宽度调制的周期

1转动力矩M的变化曲线

2电功率P的变化曲线

具体实施方式

现在根据附图详细说明本发明：

在图1中示出了本发明的主要特征：虽然在伸长的线形导体中电流是正弦形变化的。可是该电流间或地断开。通过这样的脉冲宽度调制使得能够降低馈电装置的功率。

脉冲宽度的控制或调节总体上得出这样的优点，即在设备的停机时间/使用寿命(Standzeit)和运行时间中出现较小的电流并因此产生较低的电阻损耗。

在图1a中举例示出了在初级导体中的电流变化曲线。脉冲宽度比相当于接通持续时间T_E与断开状态T_A的持续时间的比值。

脉冲宽度调制的周期为T_P。该周期比中频电流的周期T大很多。所述中频电流对应于大约20至25kHz的频率。可是也可以使用直到50kHz或甚至100kHz的频率。

在图1b中示出了电流的峰值 的变化曲线。在所示的脉冲宽度比的情况下，仅有最大可能功率的大约2/3传输给感应耦合的负载。可是相应电 阻损耗较低。

负载包含一由次级线圈馈电的能量缓冲器，比如一连接在整流器后面的平滑电容器或一与次级线圈并联的电容器，这样来选择所述电容器的电容，即与次级线圈形成一个振荡电路，其谐振频率相当于在初级导体中电流的频率。也可以应用另外的或其它的能量缓冲器。本发明充分利用能量缓冲器的能量容量。因为在持续时间T_A期间能量缓冲器给负载供电。在持续时间T_E期间馈电装置给负载供电并且附加地给能量缓冲器充电。

在图1b中示出了初级导体中电流峰值 的另一个示例性变化曲线。即在持续时间T_E期间可以规定电流峰值的时间曲线。在该实例中峰值首先从值 

升高，然后到达直到断开电流保持恒定不变的最大值 

对于本发明存在本发明的多个变型方案：

第一变型涉及，馈电电路包含用于电流和/或电压检测的单元，其测量值用于确定额定功率值。

例如在负载中如果功率需求增加，则这可以从电流测量值和/或电压测量值的变化识别出来并且可以通过提高脉冲宽度比或初级导体电流的峰值实施应对控制。用于电流检测的单元可以直接安装在初级导体上。用于电压检测的单元可以安装在包含在馈电电路中的回转器上。这里在DE 10053373的图1中示出了回转器，本发明同样包含该文件的说明书中公开的、用于无接触能量传输的系统的特征。

在另一个本发明的实施例中，初级导体在整个设备中具有至少一个或也可以多个线路段，给这些线路段分别配设一个线路控制器，该线路控制器包含一个电子电路并且能够与馈电电路进行数据交换。因此能够把在线路段中分别需要供电的负载的数目以及其它的数据、比如其所需的功率和能量缓冲器中存在的能量存量传递给馈电电路。此时，使得馈电电路能够从所述数据确定所需功率并因此确定脉冲宽度调制比和/或在初级导体中电流的峰值变化曲线并相应地进行注入。

在另一个本发明的实施例中，该系统甚至具有这样的负载，该负载为了进行数据交换直接或经过相应的线路控制器与馈电电路连接。因此负载 传递其当前相应需要的功率和/或其在能量缓冲器中存在的能量存量并且相应调整初级导体电流的馈电电路，其中此时脉冲宽度调制比和/或初级导体电流峰值取决于所传递的所述信息。

在静止的区域内可使用现有技术的总线系统，以进行数据传输。为了向或从可以移动布置的负载传输数据，通过无线电波、红外波、其它电磁波、超声波进行传输是有利的。如果移动部分使相应适合的天线沿着同轴导体的槽移动，则也可以采用沿初级导体铺设的开槽的同轴导体。可以有利地实现以高于中频的频率将信息调制到初级导体上，以进行数据传输。

在本发明另外的实施例中，次级线圈与电流-电压转换器连接，该转换器输出端给整流器供电。这样产生的直流电压可以用作用于给电动机供电的换流器/变频器(Umrichter)的中间电路电压。这里电流-电压转换器由无源的电子部件，如电感、电容和电阻构成。因为向初级侧馈电电路注入中频电流，即，初级侧馈电电路主要具有一个电流源特性，所以由次级侧布置的整流器提供的直流电压是恒定的。因为整流器的输出端与作为缓冲直流电压的能量存储器的电容器连接。如果现在要降低在初级导体中的电流峰值 

则直流电压、即中间电路电压例如也以和初级导体中电流峰值 一样的系数相应地降低。可是由于在本发明中初级导体中的电流具有全电流峰值 

经整流的电压也始终处于其相应的高值。这样来设计能量缓冲器，即该缓冲器在断开持续时间T_A上缓冲电压，即仅是使其不显著地下降。

在本发明的另一个实施例中，电流-电压转换器设计成用于较高的功率。即该电流-电压转换器也可以用于这样的系统中，在该系统中初级导体中的电流持续具有其峰值。但相同的电流-电压转换器也可以用于这样的系统中，在该系统中规定了低于100％的脉冲宽度调制比。以这种方式可以限制电流-电压转换器的变型多样性。因此降低整个系统结构系列的费用。

在图2中示出了一个电动机的转动力矩M的示例性理想时间曲线1，在车辆启动时该转动力矩是必需的。这里，传动装置，即负载，例如包含用于给电动机供电的变流器，所述电动机又驱动车辆或驱动机床的轴。通 过信息传输可以通知传动装置，即特别是换流器，该换流器应从时刻t_0开始启动车辆。这里还通知，车辆应到达一可规定的额定速度。因此换流器能够从时刻t_0开始规定最大转动力矩，也就是规定可能的最大加速度。在可以由换流器或由计算机确定的第一时间段之后达到额定速度，并且克服滚动摩擦和/或滑动摩擦仅需要建立较低的转动力矩。

如上所述，无接触地实现由初级导体对驱动装置的供电。这里在初级导体中仅允许临界的最大恒定电流值。如果长时间超过该值，则部件损坏的风险增加，比如绝缘击穿或初级导体的铜导线烧断。

在如所述那样实现车辆启动时，需要同样在图2中示出的、电功率P的理想时间曲线，该功率必须由初级导体提供给传动装置。

在本发明中，允许换流器能够短时间地、即在第一时间段期间由于显著升高的功率需求超过临界电流值。为此换流器进行功率需求的预测并因此也预测在初级导体中的电流曲线，并确定短时间超过临界电流值的允许时间段。

将预测的、也就是事先已经确定的功率需求告知馈电装置，并在此时由馈电装置对功率需求进行相应的考虑，也就是向初级导体中馈入相应提高的电流。

在本发明的另一个实施例中，仅设置一个负载。因此可以给该负载准确分配事先确定的消耗并且为该负载确定超出的电流。

在本发明的另一个实施例中，设置多个负载。这里每个负载都将其预测的电流需求告知馈电装置，此时馈电装置馈入所需要的总电流。

Claims (17)

1.用于无接触地能量传输的系统，

包含一馈电装置，该馈电装置以脉冲的方式将中频交流电流注入一初级导体中，至少一个用于给至少一个负载供电的次级线圈感应耦合在该初级导体上，

其中，

所述次级线圈是一振荡电路的一部分，该振荡电路的谐振频率相当于所述初级导体中的所述电流的频率，

所述馈电装置设计成能够预先确定、控制或调节所述电流的脉冲宽度、脉冲宽度比和/或幅值变化曲线，

所述初级导体中的所述电流中断的持续时间(T_A)大于4ms。

2.按照权利要求1的系统，

其特征在于，

初级导体设置成伸长的，其中沿初级导体可移动地布置负载。

3.按照权利要求1的系统，

其特征在于，

如此设置初级导体，即负载相对于初级导体可转动地布置。

4.按照权利要求1的系统，

其特征在于，

中频在9kHz和100kHz之间。

5.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

所述初级导体中的所述电流的脉冲宽度、脉冲宽度持续时间和/或调幅周期大于该电流的周期。

6.按照权利要求5的系统，

其特征在于，

所述初级导体中的所述电流的脉冲宽度、脉冲宽度持续时间和/或调幅周期是该电流周期的十倍或更高。

7.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

所述系统包括一由所述次级线圈馈电的能量缓冲器，所述脉冲宽度比与能量缓冲器和负载的功率损耗相协调。

8.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

负载与分配给负载的次级线圈一起沿初级导体可移动地布置。

9.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

给初级导体或初级导体的线路段分别配设一线路控制器。

10.按照权利要求9的系统，

其特征在于，

该系统包含用于在馈电装置与线路控制器和/或负载之间进行数据交换的单元。

11.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

根据包括：初级导体的一个线路段中的负载数目、负载的能量缓冲器中的能量存量、负载各自的功率需求在内的数据，能够由馈电装置预先确定脉冲宽度、脉冲宽度比和/或幅值变化曲线。

12.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

负载包含用于确定功率需求或电流需求的时间曲线的单元。

13.按照权利要求1至4中任一项的系统，

其特征在于，

负载包含用于把关于其功率需求或电流需求的时间曲线的信息传递给馈电装置或传递给与馈电装置连接以进行信号或信息传递的计算机的单元。

14.运行用于无接触地能量传输的系统的方法，

其中由一馈电装置以脉冲的方式将中频交流电流注入伸长的初级导体，至少一个用于给至少一个负载供电的次级线圈感应耦合在该初级导体上，其中，所述次级线圈是一振荡电路的一部分，该振荡电路的谐振频率相当于所述初级导体中的所述电流的频率，

其中，

在馈入所述电流时预先确定、控制或调节该电流的脉冲宽度、脉冲宽度比和/或幅值变化曲线，

这样馈入电流，即，使所述初级导体中的所述电流中断的持续时间(T_A)大于4ms。

15.按照权利要求14的方法，

其特征在于，

在预先确定、控制或调节所述馈入电流的脉冲宽度、脉冲宽度比和/或幅值变化曲线时考虑包括：初级导体线路段中的负载数目、负载的能量缓冲器中的能量存量和/或负载各自的功率需求在内的信息。

16.按照权利要求15的方法，

其特征在于，

在负载的功率需求出现之前预先确定负载的功率需求和/或功率需求的时间曲线。

17.按照权利要求14至16之一的方法，

其特征在于，

在初级导体中设置这样的电流时间曲线，即在一个时间段内超过电流的临界值，其中该临界值是在初级导体中有持续恒定的电流值时对于初级导体最大允许的电流值，并且该时间段这样短，即在该时间段内电流变化不会损坏初级导体。

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