DE102004009896A1

DE102004009896A1 - Induktive Energie- und Datenübertragung mit Parallelleiteranordnung

Info

Publication number: DE102004009896A1
Application number: DE102004009896A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Prof. Dr.-Ing. Meins
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Primärleiter für eine Primärleiterschleife eines Systems zur berührungslosen induktiven Energie- und/oder Datenübertragung, wobei der Primärleiter zwei parallel oder koaxial zueinander angeordnete und voneinander isolierte Leiter (2, 3) aufweist, die zusammen eine Kapazität (4) bilden, und die Einspeisung eines Wechselstromes in den einen Leiter am Anfang des Primärleiters und die Auskopplung des Wechselstromes aus dem anderen Leiter am Ende des Primärleiters erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Primärleiter für eine Primärleiterschleife eines Systems zur berührungslosen induktiven Energie- und/oder Datenübertragung.
Bei bekannten Energie- und Datenübertragungseinrichtungen wird die längs des Fahrweges angeordnete Primärleiterschleife aus einem Hinleiter und einem Rückleiter gebildet, welche parallel zueinander angeordnet und als Litzkabel ausgebildet sind. Diese Primärleiterschleife wird aus einer ortsfesten Energiequelle mit einem Wechselstrom oder einer Wechselspannung konstanter Amplitude gespeist wodurch sich ein magnetisches Wechselfeld ausbildet. Die am Fahrzeug angeordneten induktiven Aufnehmer enthalten eine Wicklung in die durch das von der Primärleiterschleife erzeugte magnetische Wechselfeld eine Wechselspannung induziert wird. Zur Verbesserung der magnetischen Kopplung zwischen Primärleiterschleife und induktivem Aufnehmer kann dieser auch ferritisches Material enthalten.
Bei den bislang bekannten Anordnungen werden in Abständen angeordnete diskrete Kompensationskondensatoren in elektrischer Reihenschaltung in der Primärleiterschleife eingesetzt um den induktiven Spannungsabfall längs der von der Primärleiterschleife gebildeten Induktivität an diskreten Orten elektrisch zu kompensieren. Der geometrische Abstand zwischen den längs der Primärleiterschleife angeordneten Kompensationskondensatoren ist durch die maximal zulässige Amplitude der auftretenden Wechselspannung festgelegt.
Die Gesamtanordnung gebildet aus Primärleiterschleife und Kompensationskondensatoren verhält sich an den Einspeiseanschlüssen wie ein Reihenschwingkreis. Wird der Reihenschwingkreis in seiner Resonanzfrequenz betrieben, ist von der ortsfesten Energiequelle reine Wirkleistung bereitzustellen. Dies erfolgt bei mit konstanter Amplitude eingespeistem Wechselstrom durch eine entsprechend einzustellende Wechselspannung. Nachteilig hierbei ist, daß sich die Dimensionierung der Abstände der Kompensationskondensatoren aus der an dem Kompensationsort maximal auftretenden Amplitude der Wechselspannung ergibt, der übrige Bereich der Primärleiterschleife jedoch mit geringerer Spannungsamplitude beansprucht wird. Hieraus ergeben sich entsprechend unwirtschaftliche Dimensionierungsparameter für die Isolation des Primärkabels.
Die technische Lösung zur Blindleistungskompensation durch diskrete in Reihenschaltung betriebene Kompensationskondensatoren wurde vielfach erprobt und hat ihre Funktionsfähigkeit bestätigt.
Für relative kurze geometrische Ausdehnungen der Primärleiterschleife sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die Blindleistungskompensation durch Parallelschaltung der Primärleiterschleife mit einem Kompensationskondensator erfolgt. Diese Schaltungsanordnung zeichnet sich ebenfalls dadurch aus, daß der von der ortsfesten Energiequelle bereitzustellende Strom der insgesamt zu übertragenen Wirkleistung entspricht. Bei konstanter Amplitude der von der Energiequelle eingespeisten Wechselspannung ergibt sich dann eine näherungsweise konstante Amplitude, wenn die entnommene Wirkleistung gering gegenüber der im Parallelschwingkreis wirksamen Blindleistung ist. Nachteilig hierbei ist, dass die Spannungsbelastung der Primärleiterschleife entsprechend hoch ist.
Ein genereller Nachteil beider beschriebener Lösungen zur Kompensation der Blindleistung der Primärleiterschleife ist die Notwendigkeit in sich wiederholenden Abständen diskrete Kompensationskondensatoren vorzusehen. Wirtschaftliche Nachteile ergeben sich aus der Notwendigkeit die Kompensationskondensatoren an sich anzuordnen und für den Dauerbetrieb zu dimensionieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde auf diskrete Kompensationskondensatoren zu verzichten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Primärleiter gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Aus den Merkmalen der Unteransprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht, ausgehend von einer induktiven Energieübertragung durch eine ausgedehnte Primärleiterschleife auf induktive Aufnehmer des Fahrzeuges oder Transportsystems, darin, daß der die Primärleiterschleife bildende Primärleiter aus zwei koaxial oder parallel verlaufenden Leitern besteht und die elektrische Kapazität zwischen den Einzelleitern zur Kompensation der Blindleistung genutzt wird. Die einzelnen Leiter eines Primärleiters bzw. Kabels werden elektrisch so betrieben, daß der jeweils in ihnen fließende Strom die gleiche Richtung aufweist, so daß sich die magnetischen Felder der Einzelströme addieren und ein Gesamtwechselmagnetfeld bilden dessen Amplitude der Summe der Einzelströme entspricht.
Jeder Leiter kann dabei aus einer Gruppe von Einzelleitern gebildet sein, die elektrisch miteinander verschaltet sind.
Vorteilhaft ist das Kabel der Primärleiterschleife aus mehreren in Reihe geschalteten erfindungsgemäßen Primärleitern gebildet. Dabei erstreckt sich vorteilhaft jeweils ein Leiter über zwei benachbart angeordneten Primärleiter, wobei der andere Leiter am Übergang zwischen diesen Primärleitern unterbrochen ist. Sofern alle Leiter jeweils eine Länge von zwei Primärleiterlängen aufweisen und jeweils um eine Primärleiterlänge versetzt zueinander angeordnet ist, ergibt sich eine kostengünstige Primärleiteranordnung zur Verwendung als Primärleiterschleife.
Unter einer Primärleiterschleife wird dabei eine Anordnung aus Hin- und Rückleiter verstanden, wobei Hin- und Rückleiter nicht zwangsläufig parallel zueinander geführt sein müssen und auch einen großen Abstand zueinander aufweisen können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: erfindungsgemäßes Primärleiterelement;
2: elektrische Reihenschaltung von zwei Primärleiterelementen gem. 1;
3a: elektrisches Pi-Ersatzschaltbild eines Primärleiterelementes gem. 1;
3b: elektrisches Ersatzschaltbild einer Reihenschaltung von fünf Primärleiterelementen;
4a: elektrisches Ersatzschaltbild einer Primärleiterschleife;
4b: zeitliche Verläufe der Ströme und Spannungen innerhalb der Primärleiterschleife nach 4a;
5a: alternative Ausführungsform einer Primärleiterschleife;
5b: zeitliche Verläufe der Ströme und Spannungen innerhalb der Primärleiterschleife nach 5a.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Primärleiter, welcher einen Primärkabelabschnitt bilden kann, bestehend aus dem Außenleiter 2 und dem Innenleiter 3. Beide Leiter 2, 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel koaxial angeordnet und voneinander durch ein isolierendes Dielektrikum elektrisch getrennt. Zwischen Außenleiter 2 und Innenleiter 3 besteht ein Kapazitätsbelag 4. Die Zuführung des Primärwechselstromes an den Außenleiter erfolgt über den Einspeiseanschluß 1, die Auskopplung des Primärwechselstromes erfolgt über den Auskoppelanschluß 5. Zwischen den Anschlußpunkten 1, 5 ist elektrisch wirksam somit eine Reihenschaltung bestehend aus den Induktivitätsbelag des Primärkabelelementes und dem Kapazitätsbelag zwischen Innen- und Außenleiter. Bei entsprechender Länge des Primärkabels entspricht das elektrische Verhalten dem eines auf Resonanz abgestimmten Reihenschwingkreises.
Es ist selbstverständlich ebenso möglich statt der koaxialen Anordnung der beiden den Primärleiter bildenden Leiter, die beiden Leiter parallel zueinander anzuordnen und diese mittels eines Dielektrikums gegeneinander zu isolieren.
Die 2 zeigt die elektrische Reihenschaltung von zwei Primärleitern entsprechend 1. Die Einkopplung des Primärstromes erfolgt entsprechend 1 am Einspeisepunkt 1. Der Innenleiter 3 erstreckt sich über die Gesamtlänge beider Primärleiter. Der Außenleiter ist jedoch innerhalb der Gesamtlänge getrennt in die beiden Teilaußenleiter 2, 2a. Hierdurch ist elektrisch die Reihenschaltung beider Primärleiter wirksam, so dass sich bei bezüglich Induktivitätsbelag und Kapazitätsbelag gleichen elektrischen Eigenschaften der Primärleiter die zweifache geometrische Länge ergibt.
Die 3a zeigt das elektrische Pi-Ersatzschaltbild eines Elementes des Primärkabels. E1, E2 bezeichnen die elektrischen Anschlüsse am Einspeisepunkt des Wechselstromes in den Primärleiter gem. der 1. A1, A2 bezeichnen die elektrischen Anschlüsse am Auskoppelpunkt des Wechselstromes aus dem Primärleiter. Die Kondensatoren C11, C12 bezeichnen die wirksame Kapazität zwischen Außen- und Innenleiter. R1a, R1b bezeichnen den ohmschen Widerstand beider Leiter. LX1a, LX1b bezeichnen die in Ausbreitungsrichtung des Primärleiters wirksame Induktivität. Aufgrund der parallelen Anordnung beider Leiter sind die Induktivitäten LX1a, LX1b magnetisch miteinander verkoppelt.
Die 3b beschreibt die Reihenschaltung von fünf gleichartigen Primärleiter(-elementen) welche einen vollständige Primärkabelabschnitt bilden. Der Einspeisepunkt des Wechselstromes ist mit E bezeichnet, der Auskoppelpunkt des Wechselstromes ist mit A bezeichnet.
Die 4a beschreibt die vollständige Leiterschleife die aus dem Primärkabelabschnitt des Hinleiters und dem Primärkabelabschnitt des Rückleiters gebildet wird. Die Einspeisung des Wechselstromes erfolgt aus der Spannungsquelle V1. R_L bildet einen Lastwiderstand welcher die induktive Energieauskopplung berücksichtigt.
Die 4b zeigt die zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen innerhalb der Primärleiterschleife. Am Einspeisepunkt E ergibt sich eine maximale Strombelastung im Innen- oder Außenleiter, während die zweite Leitergruppe stromlos ist. Bedingt durch die zwischen Innen- und Außenleiter wirksame Kapazität verringert sich die Strombelastung in dem ersten Leiter und erhöht sich die Strombelastung in dem zweiten Leiter. Erfolgt die Dimensionierung von längenbezogener Leiterinduktivität und Leiterka pazität sowie Leiterschleifenlänge so, dass die Teilspannungen an Leiterinduktivität und Leiterkapazität kompensiert werden, entspricht die Ausgangsspannung am Ende der Leiterschleife der Eingangsspannung am Anfang der Leiterschleife vermindert um die unvermeidlichen Spannungsabfälle an den ohmschen widerständen von Hin- und Rückleiter.
Die 5a zeigt eine Anordnung entsprechend 2a jedoch ergänzt um jeweils 2 Kapazitäten CE und CA zwischen Außen- und Innenleitern am Anfang und am Ende von Hin- und Rückleiter. Bei entsprechender Dimensionierung ergibt sich eine gleichmäßigere Aufteilung der Ströme auf Innen- sowie Außenleiter des Primärkabels. Eine andere Zielsetzung der Anordnung von Zusatzkondensatoren am Anfang und am Ende einer Primärleiterschleife kann darin bestehen unvermeidliche Toleranzen von Kapazitätsbelägen in Induktivitätsbelegen sowie der geometrischen Längen in der Fertigung auszugleichen.
Die 5b zeigt die zeitlichen Verläufe der Ströme und Spannungen innerhalb der Primärleiterschleife gem. der 5a. Aufgrund der zusätzlichen Kapazitäten CA und CE ergibt sich längs des Primärleiterkabels eine weitgehend konstante Strombelastung.

Claims

Primärleiter für eine Primärleiterschleife eines Systems zur berührungslosen induktiven Energie- und/oder Datenübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter zwei parallel oder koaxial zueinander angeordnete und voneinander isolierte Leiter (2, 3) aufweist, die zusammen eine Kapazität (4) bilden, und die Einspeisung eines Wechselstromes in den einen Leiter am Anfang des Primärleiters und die Auskopplung des Wechselstromes aus dem anderen Leiter am Ende des Primärleiters erfolgt.
Primärleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter (2, 3) durch eine Gruppe von Leitern gebildet ist.
Primärleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den beiden Leitern (2, 3) vorhandene Kapazität (4) zur Kompensation der induktiven Blindleistung des Primärleiters bzw. der Primärleiterschleife des Energieübertragungssystems dient.
Primärleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Primärleiter in Reihe geschaltet sind und ein Primärleiterkabel bilden.
Primärleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei in Reihe geschaltete Primärleiter jeweils einen gemeinsamen durchgehenden Leiter (5) aufweisen.
Primärleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiter (2, 3) die zweifache Länge des Primärleiters aufweist, wobei die Leiter um die Länge eines Primärleiters versetzt zueinander angeordnet sind, so daß sich alternierend jeweils ein Leiter über die Länge von zwei benachbart angeordneten Primärleitern erstreckt.
Primärleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren (CE, CA) am Anfang und am Ende des einen Primärleiters oder einer Reihenschaltung von Primärleitern elektrisch mit den zwei Leitern verbunden sind.
Systems zur berührungslosen induktiven Energie- und/oder Datenübertragung unter Verwendung eines Primärleiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche.