DE10152863A1

DE10152863A1 - Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mehreren Resonanzkreisen

Info

Publication number: DE10152863A1
Application number: DE10152863A
Authority: DE
Inventors: Guntram Scheible; Jean Schutz
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Es wird eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mindestens zwei Resonanzkreisen vorgeschlagen, welche jeweils eine Wicklung (1, 2, 3) und einen Resonanzkondensator (7, 10, 13) aufweisen und von einer Einspeiseschaltung (4, 18, 18', 33) versorgt werden. Es ist eine Reihenschaltung einer ersten Wicklung (1), mindestens eines Resonanzkondensators (7), mindestens einer stufenlos oder feinstufig einstellbaren Induktivität (16) oder Kapazität und mindestens einer zweiten Wicklung (2) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mehreren Resonanzkreisen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die vorgeschlagene Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mehreren Resonanzkreisen ist insbesondere geeignet für eine in der DE 199 26 799 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie unter Einsatz mehrerer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklungen (Primärspulen, Sendespulen), wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld (Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz) geeignete Sekundärwicklung (Sekundärspule, Empfangsspule) aufweist.

Die vorgeschlagene Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mehreren Resonanzkreisen ist des weiteren bestens geeignet für eine in der DE 199 26 562 A1 vorgeschlagene Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, wobei ebenfalls das produzierte Magnetfeld zur Energieübertragung genutzt wird.

Die Wicklungen dieser Magnetfelderzeugungsvorrichtung umschließen dabei eine Maschine oder Anlage mit einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren, beispielsweise Industrieroboter, Herstellungsautomat oder Fertigungsautomat. Je nach den konkreten Abmessungen dieser Maschine oder Anlage wird eine unterschiedlich ausgebildete Magnetfelderzeugungsvorrichtung benötigt, um eine sichere Versorgung der Sensoren/Aktoren zu gewährleisten. Insbesondere bei räumlich ausgedehnten Maschinen oder Anlagen sind stets mehrere Wicklungen erforderlich, um das erforderliche Magnetfeld vorgegebener Intensität zu erzeugen. Im Hinblick auf die gewünschte magnetische Feldstärke und die von einer Wicklung umschlossene Fläche ergeben sich zu beachtende elektrische Anschlußspannungen der einzelnen Wicklung. Dabei ist es von Interesse, daß diese Anschlußspannungen vorgeschriebene Grenzwerte nicht überschreiten, denn ansonsten ergibt sich in nachteiliger Weise ein erhöhter Aufwand bezüglich der elektrischen Isolierung der elektrischen Leiter dieser Wicklungen und der Anschlußkabel zwischen den Wicklungen und der Einspeiseschaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mehreren Resonanzkreisen der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Anschlußspannungen der Wicklungen bzw. Resonanzkreise möglichst niedrig sind und einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise 1000 Volt, nicht überschreiten.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich eine Spannungsreduzierung der Anschlußspannungen der einzelnen Wicklungen ergibt, wodurch - unabhängig von der konkreten Anzahl der Resonanzkreise für unterschiedliche Anwendungsfälle - die gewünschte Begrenzung der Anschlußspannung einer Wicklung bzw. der Anschlußspannung an der Einspeiseschaltung auf beispielsweise 1000 V bewirkt wird. Der Grund hierfür ist, daß die an den Wicklungen und Resonanzkondensatoren anstehenden Einzel-Spannungen jeweils entgegengesetzt gerichtet sind.

Des weiteren ist mit Hilfe des vorgeschlagenen Konzepts ein einfach aufgebautes und einfach montierbares Baukastensystem realisierbar, um entsprechend den speziellen Kundenanforderungen Magnetfelderzeugungsvorrichtungen unterschiedlicher räumlicher Ausdehnung mit unterschiedlicher Anzahl von Wicklungen bzw. Resonanzkreisen unter Einsatz von standardisierten Baukomponenten (insbesondere Resonanzabgleicheinrichtungen in Form von Modulen) zu schaffen. Ein solches Baukastensystem ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft, beispielsweise ermöglicht es reduzierte Herstellungskosten, eine kostengünstige Projektierung und eine kostengünstige Ersatzteilbevorratung.

Selbstverständlich ist auch eine Reduzierung der Herstellkosten im Vergleich zu einer Einzelversorgung der Resonanzkreise gegeben, da eine einzige Einspeiseschaltung zur Versorgung mehrerer bzw. aller Resonanzkreise dient. Es ist lediglich die Leistung dieser Einspeiseschaltung entsprechend der Summe der Leistungen der Resonanzkreise zu bemeassen.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung erster Ausführungsform,
Fig. 2 eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung zweiter Ausführungsform,
Fig. 3 eine modulartig ausgebildete zweite Ausführungsform,
Fig. 4 eine speziell für Anlagen mit nur zwei Resonanzkreisen geeignete Magnetfelderzeugungsvorrichtung.
Für alle Ausführungsformen gilt, daß eine mindestens zwei Resonanzkreise aufweisende Magnetfelderzeugungsvorrichtung vorgeschlagen wird, wobei die Resonanzkreise aus lediglich einer einzigen, eine Amplitudeneinstelleinrichtung (Gleichrichter, welcher eingangsseitig an einem Wechselspannungsnetz liegt) sowie eine Frequenzerzeugungseinrichtung (Wechselrichter) aufweisenden Einspeiseschaltung versorgt werden.
Die Amplitudeneinstelleinrichtung produziert eine zur magnetischen Feldstärke des zu erzeugenden Magnetfeldes korrespondierende DC-Spannung. Die Frequenzerzeugungseinrichtung erzeugt hieraus eine AC-Spannung gewünschter Frequenz zur Speisung einer Resonanzabgleichvorrichtung, welche mindestens einen Resonanzkondensator und mindestens eine stufenlos einstellbare Induktivität aufweist. Eine Steuer/Regeleinrichtung erfaßt die DC-Spannung der Amplitudeneinstelleinrichtung, die AC- Spannung sowie den AC-Ausgangsstrom der Frequenzerzeugungseinrichtung und steuert/regelt die Amplitudeneinstelleinrichtung, die Frequenzerzeugungseinrichtung und die Resonanzabgleichvorrichtung bzw. deren einstellbare Induktivität. Zu Einzelheiten dieses Konzeptes wird auf die Deutsche Patentanmeldung DE 101 41 884 "Einspeiseschaltung eines ein Magnetfeld erzeugenden Resonanzkreises sowie Steuer/Regeleinrichtung hierzu" hingewiesen.
In Fig. 1 ist eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung erster Ausführungsform dargestellt. Es sind drei von einer Einspeiseschaltung 4 über Anschlußklemmen 8, 9 bzw. 11, 12 bzw. 14, 15 versorgte Wicklungen 1 bzw. 2 bzw. 3 zu erkennen. Diese Wicklungen 1, 2, 3 umschließen die eingangs erwähnte Maschine oder Anlage mit einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren und erzeugen das Magnetfeld gewünschter Intensität. Die Einspeiseschaltung 4 besteht aus Amplitudeneinstelleinrichtung 5, Frequenzerzeugungseinrichtung 6, integrierten Resonanzkondensatoren 7, 10, 13, integrierter stufenlos einstellbarer Induktivität 16 und Steuer/Regeleinrichtung 17. Die Anschlußklemme 8 führt zum Resonanzkondensator 7. Resonanzkondensator 10 bzw. 13 ist mit den Anschlußklemmen 9, 11 bzw. 12, 14 verbunden. Die Anschlußklemme 15 führt zur stufenlos einstellbaren Induktivität 16.
Bei einer Anlage mit drei (oder auch beliebig mehr) Wicklungen gemäß erster Ausführungsform ist demnach eine Serienschaltung aus erstem Resonanzkondensator 7, erster Wicklung 1, zweitem Resonanzkondensator 10, zweiter Wicklung 2, drittem Resonanzkondensator 13, dritter Wicklung 3 und stufenlos einstellbarer Induktivität 16 an die Anschlußklemmen der Frequenzerzeugungseinrichtung 6 angeschlossen, wobei alle benötigten Resonanzkondensatoren sowie die stufenlos einstellbare Induktivität vorteilhaft bereits in der Einspeiseschaltung integriert sind. Die Montage reduziert sich auf das "Einstöpseln" der Anschlußkabel der Wicklungen in die Anschlußklemmen der Einspeiseschaltung.
In Fig. 2 ist eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung zweiter Ausführungsform dargestellt. Die Einspeiseschaltung 18 besteht aus Amplitudeneinstelleinrichtung 5, Frequenzerzeugungseinrichtung 6, Resonanzkondensatoren 7, 10, 13, stufenlos einstellbaren Induktivitäten 21, 22, 23 und Steuer/Regeleinrichtung 17. Für den Anschluß der (nicht dargestellten) Wicklungen 1 bzw. 2 bzw. 3 sind wiederum Anschlußklemmen 8, 9 bzw. 11, 12 bzw. 14, 15 vorgesehen.
Bei einer Anlage mit drei (oder auch beliebig mehr) Wicklungen gemäß zweiter Ausführungsform ist demnach eine Serienschaltung aus erstem Resonanzkondensator 7, erster stufenlos einstellbarer Induktivität 21, Anschlußklemme 8, erster Wicklung 1, Anschlußklemme 9, zweitem Resonanzkondensator 10, zweiter stufenlos einstellbarer Induktivität 22, Anschlußklemme 11, zweiter Wicklung 2, Anschlußklemme 12, drittem Resonanzkondensator 13, dritter stufenlos einstellbarer Induktivität 23, Anschlußklemme 14, dritter Wicklung 3 und Anschlußklemme 15 an die Anschlußklemmen der Frequenzerzeugungseinrichtung 6 angeschlossen, wobei alle benötigten Resonanzkondensatoren sowie alle stufenlos einstellbaren Induktivitäten vorteilhaft bereits in der Einspeiseschaltung integriert sind. Die Montage reduziert sich auf das "Einstöpseln" der Anschlußkabel der Wicklungen in die Anschlußklemmen der Einspeiseschaltung.
Wie Fig. 3 zeigt, eignet sich das Konzept dieser zweite Ausführungsform mit stufenlos einstellbarer Induktivität pro Wicklung darüber hinaus für den modulartigen Aufbau von separaten Resonanzabgleicheinrichtungen 19 bzw. 20, bestehend aus Resonanzkondensator 10 bzw. 13, stufenlos einstellbarer Induktivität 22 bzw. 23, Anschlußklemmen 11, 12 bzw. 14, 15 zum Anschluß einer Wicklung und Anschlußklemmen zum Verbinden mit einer Einspeiseschaltung 18' und zum Aneinanderschalten beliebig vieler derartig aufgebauter Resonanzabgleicheinrichtungen zur Bildung der gewünschten, vorstehend im einzelnen erläuterten Serienschaltung. Die Anzahl der Resonanzabgleicheinrichtungen richtet sich nach der erforderlichen Anzahl an Wicklungen und damit nach der konkreten Form bzw. den konkreten Abmessungen der von den Wicklungen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung zu umschließenden Maschine oder Anlage.
In Fig. 3 sind Anschlußklemmen 24, 31, 26 zur Verbindung von Einspeiseschaltung 18' und Resonanzabgleicheinrichtung 19 sowie Anschlußklemmen 25, 32, 27 zur Verbindung der beiden Resonanzabgleicheinrichtungen 19, 20 skizziert. Weitere Anschlußklemmen 28, 29 dienen dem Anschluß einer weiteren Resonanzabgleicheinrichtung an die Resonanzabgleicheinrichtung 20. Ein Kurzschlußbügel 30 überbrückt dabei die Anschlußklemmen - hier 28, 29 - der letzten Resonanzabgleicheinrichtung der gebildeten Reihenschaltung. Die Anschlußklemmen 24, 25, 28 dienen dabei der Verbindung der Bauelemente (Resonanzkondensator, stufenlos einstellbare Induktivität) der gebildeten Resonanzkreise. Die Anschlußklemmen 26, 27, 29 dienen der Bildung eines durchgehenden Rückleiters zur Einspeiseschaltung. Die Anschlußklemmen 31, 32 dienen zur Verbindung mit der Steuer/Regeleinrichtung 17 und damit dem synchronisiertem Resonanzabdleich für alle gebildeten Resonanzkreise, d. h. der Einstellung derselben Induktivitätswerte in allen Resonanzkreisen.
In Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist es auch möglich, Resonanzkondensator 7 und stufenlos einstellbare Induktivität 16 nicht in die Einspeiseschaltung 18' einzubauen, sondern hierzu eine eigene Resonanzabgleicheinrichtung vorzusehen.
In Fig. 4 ist eine speziell für Anlagen mit nur zwei Resonanzkreisen geeignete Magnetfelderzeugungsvorrichtung dargestellt. Bei einer solchen Anlage mit lediglich zwei Wicklungen 1, 2 ist eine Serienschaltung aus erster Wicklung 1, Resonanzkondensator 7, stufenlos einstellbarer Induktivität 16 und zweiter Wicklung 2 an die Anschlußklemmen der Frequenzerzeugungseinrichtung 6 angeschlossen, d. h. die Einspeiseschaltung 33 enthält den erforderlichen Resonanzkondensator und die stufenlos einstellbare Induktivität und die Montage reduziert sich auf das "Einstöpseln" der Anschlußkabel der beiden Wicklungen in die Anschlußklemmen der Einspeiseschaltung.
Bei allen vorstehend angeführten Ausführungsformen ist es alternativ möglich, den Resonanzkondensator eines Resonanzkreises in Form mehrerer zu-/abschaltbarer Kondensatoren auszubilden, wobei die Ansteuerung der dann notwendigen Kondensator- Schalteinrichtung über die Steuer/Regeleinrichtung der Einspeiseschaltung erfolgt.
Alternativ ist auch eine feinstufig oder stufenlos einstellbare Kapazität (Hochfrequenztaktung der Kapazität) an Stelle der stufenlos einstellbaren Induktivität einsetzbar. Von Wichtiglkeit ist, daß die Resonanzabgleicheinrichtung zumindest eine feinstufig - vorzugsweise stufenlos - einstellbare Induktivität oder Kapazität aufweist, um derart das erforderliche kapazitive/induktive Verhältnis vorzugeben und somit die Phasenlage im relevanten Resonanzkreis einstellen und nachregeln zu können.

Claims

1. Magnetfelderzeugungsvorrichtung mit mindestens zwei Resonanzkreisen, welche jeweils eine Wicklung (1, 2, 3) und einen Resonanzkondensator (7, 10, 13) aufweisen und von einer Einspeiseschaltung (4, 18, 18', 33) versorgt werden, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung einer ersten Wicklung (1), mindestens eines Resonanzkondensators (7), mindestens einer stufenlos oder feinstufig einstellbaren Induktivität (16) oder Kapazität und mindestens einer zweiten Wicklung (2).

2. Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils abwechselnd ein Resonanzkondensator (7, 10, 13) und eine Wicklung (1, 2, 3) in Serie liegen und lediglich eine einzige stufenlos oderfeinstufig einstellbare Induktivität (16) oder Kapazität hierzu in Reihe liegt.

3. Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils abwechselnd ein Resonanzkondensator (7, 10, 13), eine stufenlos oder feinstufig einstellbare Induktivität (21, 22, 23) oder Kapazität und eine Wicklung (1, 2, 3) in Serie liegen.

4. Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einspeiseschaltung (4, 18, 33) der mindestens eine erforderliche Resonanzkondensator (7, 10, 13) und die mindestens eine stufenlos oder feinstufig einstellbare Induktivität (16, 21, 22, 23) oder Kapazität integriert sind und die elektrische Verbindung der Wicklungen (1, 2, 3) über Anschlußklemmen der Einspeiseschaltung erfolgt.

5. Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Resonanzabgleicheinrichtung (19, 20) vorgesehen ist,
welche einen Resonanzkondensator (10, 13) und eine stufenlos oder feinstufig einstellbare Induktivität (22, 23) oder Kapazität enthält,
welche über Anschlußklemmen sowohl mit der Einspeiseschaltung als auch mit einer weiteren Resonanzabgleicheinrichtung verbindbar ist,
welche eine Anschlußklemme zur Einstellung der stufenlos oder feinstufig einstellbaren Induktivität (22, 23) oder Kapazität aufweist und
welche Anschlußklemmen für die elektrische Verbindung einer Wicklung aufweist.

6. Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbindung mit einer weiteren Resonanzabgleicheinrichtung bestimmten Anschlußklemmen einer Resonanzabgleicheinrichtung (19, 20) bedarfsweise mittels eines Kurzschlußbügels (30) überbrückbar sind.