DE102004055154B4

DE102004055154B4 - Verfahren zum Betrieb eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung, System zur berührungslosen Energieübertragung und Übertragerkopf

Info

Publication number: DE102004055154B4
Application number: DE102004055154A
Authority: DE
Inventors: Harald Wolf
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE102004055154A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Übertragerkopf, der entlang eines langgestreckten Primärleiters bewegbar und mit diesem induktiv gekoppelt ist, wobei
– der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung umfasst,
– ein erster magnetischer Kreis aus Teilen eines magnetischen Kerns des Übertragerkopfes, um welche die Sekundärwicklung herum gewickelt ist, gemeinsam mit einem, den Primärleiter umschließenden Magnetkern, gebildet ist und
– ein zweiter magnetischer Kreis nur durch Teile des Übertragerkopfes gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite magnetische Kreis bei Nennbetrieb gesättigt ist, der erste Kreis jedoch nicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung, ein System zur berührungslosen Energieübertragung und einen Übertragerkopf.
Aus der DE 100 53 373 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Ähnliche Verfahren sind aus der DE 197 35 624 C1 bekannt. Ein U-förmiger Übertragerkopf für solche Verfahren ist in der DE 195 12 107 A1 beschrieben, insbesondere in der 8 und der zugehörigen Beschreibung. Um die beiden Schenkel des U ist jeweils eine Wicklung gelegt, wobei diese Wicklungen seriell geschaltet sind. Die Sättigungseigenschaften des U bestimmen die maximal übertragbare Leistung wesentlich mit. Die sekundärseitige Streuinduktivität bezieht sich auf nicht um den Primärleiter laufende Feldlinien.
Aus der WO 92/17929 ist eine andere Vorrichtung bekannt, bei der ein E-förmiger Kern des Übertragerkopfes zum Einsatz kommt, wie in 10 dargestellt ist. In Bewegungsrichtung, also stirnseitig, läuft die Wicklung ein wenig im Außenbereich. Auch hier existiert wiederum eine nicht-verschwindende sekundärseitige Streuinduktivität.
Bei den genannten Anordnungen weist die sekundärseitige Streuinduktivität innerhalb des vorgesehenen Nennbetrieb-Bereichs keine Sättigung auf. Dies liegt daran, dass die zugehörigen Feldlinien großenteils durch Luft verlaufen, die keine Sättigungseigenschaften aufweist.
Der Querschnitt des Materials, das vom Hauptfeld durchsetzt wird, bestimmt die maximal übertragbare Leistung ebenfalls wesentlich mit. Sobald dieses Material in Sättigung kommt, ist die Zunahme der Übertragerkopfspannung begrenzt. Dabei ist primärseitig eine Stromeinprägung in den Primärleiter vorausgesetzt, der als Linienleiter ausgebildet ist.
Bei allen Verfahren werden die Übertragerköpfe direkt oder indirekt mit einer Anpassschaltung verbunden, die Stromquelleneigenschaften in Spannungsquelleneigenschaften umwandelt und einem anschließbaren Verbraucher eine Versorgungsspannung zur Verfügung stellt. Dabei gibt es zwei Sorten von solchen Anpassschaltungen. Eine erste findet sich beispielhaft in der 1 und 2 der DE 198 56 937 A1 , wobei die Anpassschaltung passiv ausgeführt ist, also keine elektronischen, aktiv gesteuerten Halbleiterschalter umfasst. Als Verbraucher ist ein Gleichrichter mit nachfolgend zu versorgender Last anschließbar. Nachteilig ist dabei, dass bei steigender Belastung die Ausgangsspannung stark absinkt. Ein zweite Sorte von Anpassschaltungen findet sich beispielhaft in der 3 DE 197 35 624 C1 , wobei die Anpassschaltung aktiv ausgeführt ist, also elektronische, aktiv gesteuerte Halbleiterschalter umfasst. Nachteilig ist dabei, dass eine aufwendige Regelung notwendig ist.
Aus der EP 1 032 963 B1 ist eine sekundärseitig vorgesehene Sättigungsinduktivität bekannt. Dabei befindet sich die Induktivität im Normalbetrieb nicht im Sättigungsbereich sondern im näherungsweise linearen Bereich um den Nullpunkt der B-H-Kennlinie herum, also der Fluss-Feldstärke-Kennlinie. Das gesamte System ist also derart ausgelegt und dimensioniert, dass im zulässigen Betrieb der Sättigungsbereich nicht erreicht wird. Wenn Spannung des Übertragerkopfes, also der Pickup-Spule, und Strom im Übertragerkopf zulässige Werte überschreiten, kommt die Induktivität in Sättigung, so dass die effektiv wirksame Induktivität eine Verstimmung des Schwingkreises bewirkt, wodurch eine weitere Zunahme von Strom und Spannung verhindert wird.
Aus der EP 0433 752 A1 ist ein induktiver Koppler bekannt, bei dem der Hauptfluss der Sekundärspule nicht nur durch den sekundärseitigen Kern geht sondern auch durch primärseitige Komponenten. Des Weiteren geht der sekundärseitige magnetische Kreis im Nennbetrieb in Sättigung. Nachteilig ist dabei, dass die Ausgangsspannung nicht gut stabilisierbar ist. Außerdem muss das System stark gekoppelt sein, also darf nur wenig Fluss verloren gehen zwischen Primärteil und Sekundärteil.
Auch aus der GB 2 136 635 A sind ähnliche schwach gekoppelte Systeme bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertragerkopf und ein System zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden mit einer verbesserten Belastungskennlinie der Ausgangsspannung, insbesondere mit einfachen und kostengünstigen Mitteln.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1, bei dem Übertragerkopf nach die in Anspruch 4 oder 5 und bei dem System nach den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung sind, dass der Übertragerkopf für ein System zur berührungslosen Energieübertragung derart ausgeführt ist und betrieben wird, dass der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung umfasst, wobei die sekundärseitige Streuinduktivität Sättigungseigenschaften aufweist oder dass der Sekundärwicklung eine Sättigungseigenschaften aufweisende Induktivität in Reihe nachgeschaltet ist. Insbesondere ist der Übertragerkopf für ein System zur berührungslosen Energieübertragung gedacht, bei dem ein langgestreckter Primärleiter vorgesehen ist, der induktiv gekoppelt ist, insbesondere schwach gekoppelt, mit dem relativ zum Primärleiter entlang des Primärleiters bewegbaren Übertragerkopf.
Außerdem umfasst der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung,
wobei ein erster magnetischer Kreis den Primärleiter umschließt und auch Teile des Übertragerkopfes umfasst, wie Bereiche des magnetischen Kerns, um welchen die Sekundärwicklung herum gewickelt ist,
wobei ein zweiter magnetischer Kreis nur mit dem Übertragerkopf mitbewegbare Teile, wie Bereiche eines magnetischen Kerns, umfasst,
wobei der zweite magnetische Kreis bei Nennbetrieb Sättigungseigenschaften aufweist der erste Kreis jedoch nicht. Der erste Kreis umfasst dabei den Hauptfluss der Sekundärspule. Der zweite Kreis kann

– entweder durch eine zweite Induktivität, welche der Sekundärspule in Reihe nachgeschaltet ist, realisiert werden
– oder durch Ferrit- oder anderes Kernmaterial, das zumindest einen Teil des sekundärseitigen Streuflusses bündelt und/oder keinen Hauptfluss führt.

Von Vorteil ist bei der Erfindung, dass die Ausgangsspannung der Anpassschaltung stabilisierbar ist. Insbesondere fällt die Ausgangsspannung bei Belastung nur wenig ab. Dies gilt ganz besonders bei Vergleich mit einem System, das keine Sättigungseigenschaften aufweisende Induktivitäten umfasst. Dabei ist stets zu beachten, dass die Erfindung für schwach gekoppelte Systeme, also Systeme mit langgestrecktem Primärleiter vorgesehen ist. Dabei umgeben die Schenkel des Ferrit- und/oder Kernmaterials des Übertragerkopfes den Primärleiter oder umschließen ihn zumindest teilweise. Aber auch bei etwas größerem Abstand funktioniert die Erfindung noch, da sie für eine schwache Kopplung ausgelegt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Übertragerkopf mit einer Anpassschaltung verbunden ist, die eine Ausgangsspannung für Verbraucher zur Verfügung stellt. Von Vorteil ist dabei, dass eine passive Anpassschaltung verwendbar ist, die nur Kondensatoren und Induktivitäten umfasst, nicht aber Transistoren, Mikrocontroller oder elektronische Leistungshalbleiter und dergleichen.
Bei dem System zur berührungslosen Energieübertragung ist wichtig, dass es mindestens einen Primärleiter umfasst, der induktiv koppelbar mit einem Übertragerkopf nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche ist, wobei die Anpassschaltung einen Kondensator umfasst, der mit der sekundärseitig bezogenen Hauptfeldinduktivität und der sekundärseitige Streuinduktivität L_σ2 auf Resonanz mit der Mittelfrequenz des Stromes im Primärleiter abgestimmt ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine große Leistung übertragbar ist und die Verluste verringert sind. Es ist also ein hoher Wirkungsgrad bei dem gesamten System realisierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind abhängig von der Leistungsaufnahme des von der Anpassschaltung versorgten Verbrauchers solche Arbeitspunkte vorgesehen, bei denen Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie der Streuinduktivität oder der nachgeschalteten Induktivität durchlaufen werden. Darüber hinaus ist der Primärleiter mit einer mittelfrequenten Stromquelle verbunden, insbesondere von dieser versorgt.
Der Übertragerkopf ist mit einer Anpassschaltung verbunden, die eine Ausgangsspannung für Verbraucher zur Verfügung stellt. Dabei umfasst die Anpassschaltung mindestens einen Kondensator, der mit der Induktivität des Übertragerkopfes und/oder der nachgeschalteten Induktivität im Wesentlichen einen Serien- oder Parallel-Schwingkreis bildet. Insbesondere ist die Anpassschaltung nach mindestens einem der Ausführungsbeispiele der DE 103 39 340.4 aufgebaut, wobei der dortige Kondensator C_K von der vorliegenden Anpassschaltung umfasst ist. Die Auslegung und Dimensionierung der Anpassschaltung samt Kondensator C_K derart ausgeführt ist, dass der Übertragerkopf mit einem Kondensator einen Schwingkreis bildet. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht der Frequenz des Stromes im Primärleitersystem dann, wenn der durchlaufene Anteil in der Sättigungszone einen speziellen Wert erreicht. Vorteiligerweise beträgt der genannte durchlaufene Anteil 80%, liegt aber zumindest zwischen 60% und 95%. Bei Nichtentnahme von Leistung für den von der Anpassschaltung versorgten Verbraucher ist abhängig von der Leistungsaufnahme des von der Anpassschaltung versorgten Verbrauchers ein Arbeitspunkt vorgesehen, bei welchem keine Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie der Streuinduktivität oder der nachgeschalteten Induktivität durchlaufen werden.
Bei dem System werden vorteiligerweise abhängig von der Leistungsaufnahme des von der Anpassschaltung versorgten Verbrauchers solche Arbeitspunkte vorgesehen, bei denen Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie der Streuinduktivität oder der nachgeschalteten Induktivität durchlaufen werden. Insbesondere ist der Arbeitspunkt bei zulässiger, möglichst maximal, übertragbarer Leistung, derart vorgesehen, dass Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie der Streuinduktivität oder der nachgeschalteten Induktivität durchlaufen werden. Der Arbeitspunkt bei Leerlauf oder geringer Leistungszufuhr der sekundärseitig zu versorgenden Last ist derart vorgesehen, dass keine Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie der Streuinduktivität oder der nachgeschalteten Induktivität durchlaufen werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ansprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1a ist das Ersatzschaltbild eines Übertragerkopfes U1 gezeigt, der eine Anpassschaltung 10 zur Bereitstellung einer unipolaren Gleichspannung U_A versorgt. Dabei wird der Übertragerkopf von einem Primärleiterstrom I₀ gespeist.
Dabei ist mit L_σ1 die primärseitige Streuinduktivität und mit L_σ2 die sekundärseitige Streuinduktivität bezeichnet. Die sekundärseitig bezogene Hauptfeldinduktivität ist mit L_h bezeichnet.
In der 1b ist das Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Übertragerkopfes U1 gezeigt. Im Unterschied zu dem Übertragerkopf nach 1a ist nun der Übertragerkopf derart ausgeführt, dass die sekundärseitige Streuinduktivität L_σ2 bei geringem sekundärseitigem Übertragerkopfstrom eine hohe Induktivität aufweist und bei zunehmendem sekundärseitigem Übertragerkopfstrom sich verringert aufgrund der erwähnten eintretenden Sättigung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung umfasst nicht nur die Anpassschaltung sondern auch den von dieser versorgten Verbraucher.
Die sekundärseitig bezogene Hauptfeldinduktivität L_h betrifft Feldlinien, die Primärleiter und Sekundärwicklung umschließen. Die sekundärseitig Streuinduktivität L_σ2 betrifft hingegen Feldlinien, die allein die Sekundärwicklung umschließen, nicht aber den Primärleiter.
Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung ist, dass sekundärseitig eine Induktivität, beispielsweise die Streuinduktivität oder eine zusätzlich seriell vorgesehene Induktivität L₃ nach 2, vorgesehen ist, die Sättigungseigenschaften aufweist. Mindestens einige der zugehörigen Feldlinien gehen also durch ein Material, das eine wesentlich größere magnetische Permeabilität aufweist als Luft. Beispielsweise kann hier vorteiligerweise dasselbe Material verwendet werden wie für den Kern des Übertragerkopfes. Wichtig ist dabei auch, dass die Hauptfeldinduktivität noch nicht die Sättigungszone erreicht, wenn die Streuinduktivität in Sättigung ist.
Die Ausführung des Kerns des Übertragerkopfes als U, als E oder als C oder als E mit einer am Mittelschenkel des E zusätzlichen, senkrecht angeordneten Platte ist für die Erfindung von nachrangiger Bedeutung. Wesentlich ist, dass die sekundärseitige Streuinduktivität L_σ2 Sättigungseigenschaften aufweist. Dies trifft für den vorgesehenen und zulässigen Arbeitsbereich des Übertragerkopfes zu, wobei die Hauptinduktivität noch nicht die Sättigungszone erreicht.
Mittels der Dimensionierung und Optimierung der Konstruktion und Auslegung des Übertragerkopfes ist somit die sekundärseitige Streuinduktivität L_σ2 und/oder die zusätzliche, seriell hinzugefügte L₃ nach 2 vorgebbar. Durch die Vorgabe von L_σ2 und/oder L₃ mit deren Sättigungseigenschaften ist die belastungsabhängige Kennlinie der Ausgangsspannung der Anpassschaltung beeinflussbar. Dies gilt allerdings nur für Anpassschaltungen mit Blindleistungskompensation. Beispielhaft sind untenstehend erläuterte Anpassschaltungen einsetzbar.
Vorteiligerweise verbessert sich bei Vorhandensein der sekundärseitigen Sättigungseigenschaften der L_σ2 oder L₃ die Kopplung bei steigender Belastung im Vergleich zur Kopplung bei geringer Belastung. Die Kopplung sei dabei: L_h/(L_σ2 + L_h) beziehungsweise L_h/(L₃ + L_h). Da primärseitig eine Stromeinspeisung vorliegt, macht diese Definition der Kopplung Sinn und beschreibt das Verhältnis: (w₂·I_2k)/(w₁·I₁), wobei w₁ die primärseitige Windungszahl und w₂ die sekundärseitige Windungszahl und I_2k den Sekundärstrom bei sekundärseitigem Kurzschluss bezeichnet. Die primärseitige Streuinduktivität L_σ1 hat keinen Einfluss auf die Kopplung.
Bei entsprechender Auslegung verbessert sich mit zunehmender Sättigung und dadurch verringerter effektiver Induktivität auch die Resonanzabstimmung des Übertragerkopfes. In Verbindung mit einer passiven Anpassschaltung wirkt bei Belastung die verbesserte Kopplung und Resonanzabstimmung einer Ausgangsspannungsabnahme entgegen. Dadurch wird die Ausgangsspannungskennlinie der Anpassschaltung stabilisiert. Dies bedeutet, dass innerhalb des Arbeitsbereiches mit zunehmender Belastung die Ausgangsspannung der Anpassschaltung sich weniger verändert als bei Verwendung eines Übertragerkopfes ohne sekundärseitige Sättigungseigenschaft. Somit kann dem Verbraucher eine konstant haltbarere Spannung zur Verfügung gestellt werden.
Der Arbeitspunkt des Übertragerkopfes bezüglich der Spannung ist gekennzeichnet durch die Amplitude der Übertragerkopfspannung im elektrisch eingeschwungenen Zustand. Vorzugsweise ist der Spannungsverlauf dabei sinusförmig vorgesehen. Unter Arbeitsbereich wird die Gesamtheit aller möglichen Arbeitspunkte verstanden. Beispielsweise ist der Übertragerkopf bei einem Arbeitsbereich von 700 V vorgesehen für mögliche Arbeitspunkte mit Spannungsamplituden von 0 bis 700 V vorgesehen. Der Arbeitsbereich bezüglich der Ströme und magnetischen Größen ist analog zu verstehen.
Besonders vorteilhaft ist es also, dass im Nennbetrieb des Übertragerkopfes, also bei Übertragung der vorgesehenen Leistung durch den Übertragerkopf, sekundärseitig Sättigung auftritt und im Hauptfeld keine Sättigung auftritt. Dies heißt, dass Feldlinien, welche zur sekundärseitigen Streuinduktivität L_σ2 beitragen, mindestens abschnittsweise durch gesättigtes Material hindurchtreten, durch welches die zum Hauptfeld gehörenden Feldlinien nicht hindurchtreten.
Die Anpassschaltung ist in verschiedenen Formen ausführbar. In einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Anpassschaltung gemäß DE 100 53 373 A1 mit einem aktiven elektronisch anstsuerbaren Schalter ausführbar.
Alternativ ist die Anpassschaltung nach DE 103 39 340 , insbesondere nach den dort beschriebenen Merkmalen, ausführbar.
In den weiteren Figuren sind verschiedene Realisierungen zur Erzeugung von Sättigungseigenschaften der sekundärseitigen Induktivität gezeigt.
In 3 und 3a ist ein Kern 1 des U-förmigen Übertragerkopfes gezeigt, um dessen ersten Schenkel die Sekundärwicklung 2 gewickelt ist. Die Ferritkern-Teile 3 und 4 bieten den Streufeldlinien einen Weg, der wegen der Verwendung des Ferrit-Materials beiden Teilen 3 und 4 Sättigungseigenschaften aufweist.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist auch der andere Schenkel des U mit einer Wicklung bewickelbar und spiegelsymmetrisch auf der anderen Außenseite des Kerns 1 des Übertragerkopfes ebenfalls ein Weg für Streufeldlinien durch Teile 3 und 4 vorsehbar.
In 4 und 4a ist ein Kern 1 des U-förmigen Übertragerkopfes gezeigt, um dessen ersten Schenkel wiederum die Sekundärwicklung 2 gewickelt ist. Die Ferritkern-Teile 21 bieten den Streufeldlinien einen Weg um die Wicklungsdrähte herum. Bei 4 ist dieser jedoch stirnseitig vorgesehen.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist auch der andere Schenkel des U mit einer Wicklung bewickelbar und spiegelsymmetrisch auf der anderen Stirnseite des Kerns 1 des Übertragerkopfes ebenfalls ein stirnseitiger Weg 21 vorsehbar.
In 5 ist ein Kern 32 des E-förmigen Übertragerkopfes gezeigt, um dessen Mittel Schenkel wiederum die Sekundärwicklung 31 gewickelt ist. Die Ferritkern-Teile 33 bieten den Streufeldlinien einen Weg um die Wicklungsdrähte herum. Bei 5 ist dieser stirnseitig vorgesehen.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist auch die andere Stirnseite des E mit Ferritkern-Teilen 33 vorsehbar.
Die Sättigungseigenschaften treten nur in einem kleinen räumlich begrenzten Bereich auf. Somit sind die Hystereseverluste verringert.
Die Ferritkern-Teile 4, 21, 33 sind bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen nicht nur als Quader sondern auch als Quader 41 mit Verengung 42 gemäß 6 ausführbar. Somit lassen sich die Sättigungseigenschaften auf diese Weise vorteilhaft beeinflussen und die Ausgangsspannungskonstanz für den Verbraucher weiter verbessern. Formgebung des Engpasses, insbesondere die kleinste Querschnittsfläche bestimmt wesentlich die Sättigungseigenschaften mit. Mit dieser Verengung 42 lässt sich ganz gezielt die Sättigung auf den kleinen Bereich, nämlich den räumlichen Bereich der Verengung, begrenzen.
Alternativ sind auch Luftspalte in dem die Ferritkern-Teile 4, 21, 33 umfassenden Weg der Streufeldlinien vorteiligerweise vorsehbar. Auch dadurch ist das Sättigungsverhalten beeinflussbar.
Wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, wie beispielsweise EP 1 032 963 B1 , ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Arbeitsbereich auch solche Arbeitspunkte umfasst, bei denen sowohl die lineare Zone als auch Teile der Sättigungszone durchlaufen werden. Zu diesen Arbeitspunkten gehört vorzugsweise auch der Nennbetrieb.
Dabei ist zu beachten, dass der Wechselstrom je nach Amplitude pro Periode nicht nur ein Durchlaufen der linearen Zone der Magnetisierungskennlinie gemäß 8 um den Nullpunkt herum bewirkt sondern bei entsprechend großer Amplitude auch ein teilweises Durchlaufen der Sättigungszone bewirkt.
Somit ist eine über die Periodendauer gemittelte wirksame Induktivität vorhanden, die bei zunehmender Amplitude des Stromes geringere Werte aufweist, da die Steigung der Kennlinie in der Sättigungszone geringer ist als im Bereich um den Nullpunkt herum, also in der linearen Zone.
Je größer im jeweiligen Arbeitspunkt der durchlaufene Anteil der Sättigungszone ist, desto kleiner ist der Wert dieser effektiven Induktivität.
Die Auslegung und Dimensionierung der Anpassschaltung 10 ist derart ausgeführt, dass der Übertragerkopf mit einem Kondensator einen Schwingkreis bildet, wobei die Resonanzfrequenz der Frequenz des Primärleiterstroms dann entspricht, wenn der durchlaufene Anteil der Sättigungszone einen speziellen prozentualen Wert erreicht. Vorteiligerweise ist dann ist auch die maximal zulässige Leistung und/oder Nennleistung übertragbar. Vorzugsweise ist der genannte Anteil 80%, zumindest aber zwischen 60% und 95%. Bei 80% heißt dies, dass Spitzenwerte der Feldstärke H erreicht werden, die fünfmal größer sind als derjenige Wert der Feldstärke H, bei dem Sättigung eintritt.
Wenn lastseitig keine Leistung zu entnehmen ist, liegt der Arbeitspunkt derart, dass ausschließlich Teile der linearen Zone der B-H-Kennlinie umfasst sind.
Die lineare Zone umfasst bezüglich der Feldstärke H weniger als 20% derjenigen Feldstärke, bis zu der im größten Arbeitspunkt des Arbeitsbereiches ausgesteuert wird. Mittels der B-H-Kennlinie ist jedem Wert an magnetischer Flussdichte B ein Feldstärke-Wert H zugeordnet.
In diesem größten Arbeitspunkt umfasst der durchlaufene Feldstärke-Bereich auch einen Teil der Sättigungszone. Dies ist in 8 dargestellt. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der Spannungskennlinie der Anpassschaltung erreichbar, wenn eine entsprechende spezielle Anpassschaltung angeschlossen ist, von der aus die Last versorgbar ist. Insbesondere ist die Anpassschaltung passiv, also nur unter Verwendung von passiven Bauelementen ausgeführt.
Vorteilhaft verwendbare Beispiele einer solchen Schaltung sind aus den 1 und 2 samt zugehörigen Beschreibungsteilen der DE 103 39 340.4 bekannt.
In 9 ist eine passive Anpassschaltung gezeigt, die einen Parallelschwingkreis umfasst, bei welchem die Hauptinduktivität zusammen mit der sekundärseitigen Streuinduktivität des Übertragerkopfes eine Resonanzfrequenz aufweisen mit dem Kompensationskondensator C_K, wobei diese Komponenten derart dimensioniert sind, dass die Resonanzfrequenz der Frequenz des Primärleiterstroms gleicht.
Nachgeschaltet ist eine stromgesteuerte Spannungsquelle, die in einfacher Weise mittels eines Parallelkondensator C_P und einer Parallelinduktivität L_P realisiert ist. Der Blindstromkompensationskondensator C_BK hat den gleichen Kapazitätswert wie der Parallelkondensator C_P. Parallelkondensator C_P und Parallelinduktivität L_P sind ebenfalls auf die Resonanzfrequenz abgestimmt, also
wobei f_Res der Frequenz des Primärleiterstromes entspricht. Außerdem ist die Ausgangsspannung U_A dieser stromgesteuerten Spannungsquelle gegeben durch
wobei I_E der Eingangsstrom ist. Die Ausgangsspannung U_A liegt an dem nachfolgend vorgesehenen Gleichrichter an, der eine unipolare Versorgungsspannung für einen an ihm angeschlossenen Verbraucher zur Verfügung stellt.
In 10 ist eine passive Anpassschaltung gezeigt, die einen Serienschwingkreis umfasst, bei welchem die Hauptinduktivität zusammen mit der sekundärseitigen Streuinduktivität des Übertragerkopfes eine Resonanzfrequenz aufweisen mit dem Serienkondensator C_S, wobei diese Komponenten derart dimensioniert sind, dass die Resonanzfrequenz der Frequenz des Primärleiterstroms gleicht.
Der Serienkondensator C_S bildet zusammen mit den genannten Induktivitäten eine stromgesteuerte Spannungsquelle. Nachgeschaltet ist die Blindstromkompensationsinduktivität L_BK, welche am Eingang des Gleichrichters vorgesehen ist. Der nachfolgend vorgesehene Gleichrichter stellt für einen an ihm angeschlossenen Verbraucher eine unipolare Versorgungsspannung zur Verfügung.
Das gesamte System ist also bei der Erfindung derart ausgelegt und dimensioniert, dass für die sekundärseitige oder zusätzlich vorgesehene Sättigungsinduktivität im zulässigen Betrieb die Sättigungszone stets erreichbar ist. Die der Frequenz des Primärstromes gleichende Resonanzfrequenz wird im Sekundärteil mit Übertragerkopf, also mit Pickup-Spule, erst erreichbar, wenn der Arbeitspunkt derart liegt, dass ein Teil der Sättigungszone durchlaufen wird.

1: U-förmiger Kern eines Übertragerkopfes
2: Sekundärwicklung
3: Ferritkern-Teil
4: Ferritkern-Teil
10: Anpassschaltung
21: Ferritkern-Teile
31: Sekundärwicklung
32: E-förmiger Kern eines Übertragerkopfes
33: Ferritkern-Teile
IO: Stromquelle
L_h: sekundärseitig bezogene Hauptfeldinduktivität
L_σ2: sekundärseitig Streuinduktivität
L_h: seriell eingefügte Induktivität
U1: Übertragerkopf
C_K: Kompensationskondensator
C_P: Parallelkondensator
C_S: Serienkondensator
L_P: Parallelinduktivität
C_BK: Blindstromkompensationskondensator
L_BK: Blindstromkompensationsinduktivität

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung mit einem Übertragerkopf, der entlang eines langgestreckten Primärleiters bewegbar und mit diesem induktiv gekoppelt ist, wobei – der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung umfasst, – ein erster magnetischer Kreis aus Teilen eines magnetischen Kerns des Übertragerkopfes, um welche die Sekundärwicklung herum gewickelt ist, gemeinsam mit einem, den Primärleiter umschließenden Magnetkern, gebildet ist und – ein zweiter magnetischer Kreis nur durch Teile des Übertragerkopfes gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite magnetische Kreis bei Nennbetrieb gesättigt ist, der erste Kreis jedoch nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kreis den Hauptfluss der Sekundärspule umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite magnetische Kreis durch Ferrit- oder anderes Kernmaterial realisiert ist, das von einer zur Sekundärwicklung in Reihe geschalteten zusätzlichen Induktivität durchflutet wird, wobei abhängig von der Leistungsaufnahme eines von einer Anpassschaltung versorgten Verbrauchers solche Arbeitspunkte vorgesehen sind, bei denen Teile der Sättigungszone der B-H-Kennlinie des zweiten magnetischen Kreises durchlaufen werden.
Übertragerkopf zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Übertragerkopf entlang eines langgestreckten Primärleiters bewegbar und mit diesem induktiv gekoppelt ist, wobei – der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung umfasst, – ein erster magnetischer Kreis aus Teilen eines magnetischen Kerns des Übertragerkopfes, um welche die Sekundärwicklung herum gewickelt ist, gemeinsam mit einem, den Primärleiter umschließenden Magnetkern, gebildet ist und – ein zweiter magnetischer Kreis nur durch Teile des Übertragerkopfes gebildet ist, wobei der zweite magnetische Kreis durch Ferrit- oder anderes Kernmaterial realisiert ist, das zumindest einen Teil des Streuflusses der Sekundärspule bündelt.
Übertragerkopf zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Übertragerkopf entlang eines langgestreckten Primärleiters bewegbar und mit diesem induktiv gekoppelt ist, wobei – der Übertragerkopf mindestens eine Sekundärwicklung umfasst, – ein erster magnetischer Kreis aus Teilen eines magnetischen Kerns des Übertragerkopfes, um welche die Sekundärwicklung herum gewickelt ist, gemeinsam mit einem, den Primärleiter umschließenden Magnetkern, gebildet ist und – ein zweiter magnetischer Kreis nur durch Teile des Übertragerkopfes gebildet ist, wobei der zweite magnetische Kreis durch Ferrit- oder anderes Kernmaterial realisiert ist, das von einer zur Sekundärwicklung in Reihe geschalteten zusätzlichen Induktivität durchflutet wird.
System zur berührungslosen Energieübertragung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärleiter an eine Stromquelle angeschlossen ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf mit einer Anpassschaltung verbunden ist, die eine Ausgangsspannung für Verbraucher zur Verfügung stellt.
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung und Dimensionierung der Anpassschaltung 10 samt einem Kondensator C derart ausgeführt ist, dass der Übertragerkopf mit dem Kondensator C einen Reihen oder Parallel-Schwingkreis bildet.
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator C mit der Reihenschaltung aus der sekundärseitige bezogenen Hauptfeldinduktivität und der sekundärseitigen Streuinduktivität L_σ2 auf Resonanz mit der Mittelfrequenz des Stromes im Primärleiter abgestimmt ist
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Resonanzfrequenz des Reihen-Schwingkreises der zweite magnetische Kern zu 60% bis 95% in der Sättigungszone seiner B-H-Kennlinie betrieben wird.
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Resonanzfrequenz des Reihen-Schwingkreises der zweite magnetische Kern zu 80% in der Sättigungszone seiner B-H-Kennlinie betrieben wird.
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichtentnahme von Leistung durch den von der Anpassschaltung versorgten Verbraucher ein Arbeitspunkt vorgesehen ist, bei welchem die Sättigung des zweiten magnetischen Kreises nicht erreicht wird.
System nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer entsprechend großen Entnahme von Leistung durch den von der Anpassschaltung versorgten Verbraucher mindestens ein Arbeitspunkt vorgesehen ist, bei welchem die Sättigung des zweiten magnetischen Kreises erreicht wird.