DE102004063917A1

DE102004063917A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung

Info

Publication number: DE102004063917A1
Application number: DE102004063917A
Authority: DE
Inventors: Leobald Podbielski; Josef Schmidt; Thomas Uhl; Harald Wolf
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-09-18
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-09-19
Also published as: DE102004063917B4; DE102004045458A1; DE102004045458B4

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung aus einer Mittelfrequenzquelle, insbesondere Mittelfrequenzstromquelle, auf mindestens einen Verbraucher, insbesondere auf einen bewegbaren Verbraucher, über eine Übertragungsstrecke und über mindestens einen dem Verbraucher zugeordneten Übertragerkopf, wobei die Übertragungsstrecke als Hinleitung und/oder als Rückleitung jeweils mindestens ein Kabel umfasst, wobei das Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar ist, insbesondere einklipsbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung.

Aus der DE 100 53 373 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Dabei ist eine Einspeisung mit einem Anpasssteller verbunden, wobei der Anpasssteller einen aktiv anzusteuernden Schalter 25 und die zugehörige Ansteuerelektronik mit Regelelektronik aufweist.

Aus der DE 44 46 779 C2 ist eine entsprechende Vorrichtung bekannt, bei der in den 6 und 7 der Mittelleiter 6 als Linienleiter ausgeführt ist. Wie in Spalte 4, Zeile 29 bis 33 beschrieben, ist der Mittelleiter aus HF-Litze auszuführen. Bei solchen Kabeln besteht das Kabel aus einer äußeren Isolierung, die die im Inneren befindlichen Litzendrähte umfasst. Die Litzendrähte sind jeweils isoliert. Somit sind die Auswirkungen des Skin-Effektes verringerbar. Allerdings ist die Litze aufwendig in der Fertigung uns daher kostspielig. Wie aus 4 ersichtlich ist der Querschnitt der Litze vorzugsweise rechteckförmig, um den Raum unterhalb des U-förmigen Übertragerkopfes gut zu nutzen.

Aus der DE 199 47 368 C1 ist ein Verlegen und Vergießen eines Primärleiters aus Litze im Boden bekannt, wobei der Fachmann die Litze als HF-Litze wählt. Nachteilig ist dabei, dass die Verbindung nicht lösbar ist. Nur durch Zerstörung lässt sich der Mittelfrequenz-Primärleiter herausnehmen. Außerdem ist die HF-Litze nur aufwendig und kostspielig mit Anschlusselementen verbindbar. Also ist auch ein Verlängern des Primärleiters aufwendig und kostspielig.

Aus der DE 44 12 957 A1 ist ein System mit Hin- und Rückleiter bekannt. Nachteilig ist dabei, dass keine erfindungsgemäße Litze verwendet wird. 2e und 2f zeigen eindeutig Drähte, die eine weitere Schicht um sich herum tragen. Dies kann nach Fachwissen nur eine Isolationsschicht sein. Also könnte der Fachmann hier HF-Litze mitlesen, wenn er überhaupt auf Litze kommt. Denn die zugehörige Beschreibung auf Spalte 4, Zeile 21 bis 24 offenbart flexible Drähte, die in einem Rohr eingelegt sind, womit kein Litzenkabel gemeint sein kann! Aus der Seite 8, Absatz [0091] der DE 692 33 048 T2 „Jedes der beiden Kabel besteht vorzugsweise aus mehreren dünnen isolierten Drähten (sogenannter Litzendraht) ..." bekannt, HF-Litze für ein berührungslos versorgtes System auszuwählen. 9 und 10 zeigen die Anordnung dieses Litzendrahtes in der Anlage. Nachteilig ist dabei, dass HF-Litze sehr kostspielig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung in kostengünstiger Weise weiterzubilden unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass die Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung aus einer Mittelfrequenzquelle, insbesondere Mittelfrequenzstromquelle, auf mindestens einen Verbraucher, insbesondere auf einen bewegbaren Verbraucher, über eine Übertragungsstrecke und über mindestens einen dem Verbraucher zugeordneten Übertragerkopf, wobei die Übertragungsstrecke als Hinleitung und/oder als Rückleitung jeweils mindestens ein Kabel umfasst, wobei das Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar ist, insbesondere einklipsbar.

Von Vorteil ist dabei, dass die Herstellung der gesamten Anlage mit geringstem Aufwand, nämlich beispielsweise bloßem Einklipsen der Kabel in ein Kunststoffformteil ermöglicht ist. Auf diese Weise sind die Herstellkosten gering gehalten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Kabel umfasst, das eine Litzendrähte umfassende Isolierung umfasst, wobei die beim jeweiligen Kabel umfassten Litzendrähte in elektrischer Verbindung untereinander stehen.

Von Vorteil ist dabei, dass die Übertragungsstrecke einfach und robust mit wenig Aufwand ausführbar ist. Außerdem ist sie kostengünstig herstellbar, weil sie mit wenigen Bauelementen realisierbar ist und keine speziellen HF-Litzen notwendig sind sondern nach Stand der Technik bekannte Litzen-Kabel verwendbar sind, obwohl der Mittelfrequenzstrom Werte zwischen 5 und 50kHz aufweisen darf, insbesondere vorteiligerweise im Bereich von 20 bis 25 kHz liegt. Überraschender bleiben nämlich die Verluste gering.

Der Fachmann würde zwar eine nur kleine übertragbare Leistung vermuten, weil der Skin-Effekt nur die Oberfläche zur Stromübertragung gut ausnutzbar macht. Jedoch hat sich herausgestellt, dass bei der auftretenden Frequenz und zu übertragenden Leistungen im Bereich von 0,1kW bis 10kW und den verwendeten Kabeldurchmessern im Bereich zwischen 3mm und 15mm eine vom Fachmann vermutete starke Erwärmung nicht auftritt, weil die Wärme durch die elektrisch und daher auch wärmeleitend verbundenen Litzendrähte gut verteilt und dann abgeführt wird. Die überraschende Erkenntnis ist dabei auch, dass die Litzendrähte durch ihre mannigfaltigen Berührflächen zu anderen Litzendrähten nicht nur gut elektrische leitend sondern eben auch wärmeleitend verbunden sind. Durch den Skin-Effekt hervorgerufene Temperaturspitzen an der äußeren Oberfläche der Gesamtheit der Litzendrähte werden also abgebaut durch die thermische Ankoppelung der inneren Litzendrähte.

Außerdem kommt für den Fachmann überraschenderweise ein weiterer Effekt unterstützend hinzu: Bei Temperaturerhöhung der äußeren Bereiche steigt auch deren elektrischer Widerstand. Somit wird die Stromführung auch deshalb teilweise mehr in den inneren Bereich verlagert. Aus diesem Grunde ist auch bei deutlich vorhandenen Skin-Effekt bei den angegebenen Dimensionierungen und den angegebenen Frequenzen von vorzugsweise 19 bis 26 kHz ein handelsübliches feindrahtiges kostengünstiges Litzen-Kabel verwendbar, ohne dass hinderlich große Verluste auftreten.

Das vorzugsweise verwendete Kupfer-Litzen-Material hat eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit.

Das Kable hat den wesentlichen Vorteil, dass Anschlusselemente, beispielsweise Kabelschuh oder dergleichen, in einfacher Technik verbindbar sind, insbesondere in Crimptechnik oder Schneid-Klemm-Technik. Schweißverbinden oder Lötverbinden sind nicht notwendig. Somit ist bei der gesamten Anlage der Aufwand und die Kosten reduziert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung mit nachgeschalteter Anpassschaltung zum Bereitstellen einer eingeprägten Mittelfrequenz-Spannung für den Verbraucher vorgesehen,
wobei eine Übertragungsstrecke von einer Mittelfrequenzstromquelle mit einem eingeprägten Mittelfrequenzstrom gespeist wird,
wobei die Anpassschaltung als stromgesteuerte Spannungsquelle ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine möglichst konstante Spannung dem Verbraucher zur Verfügung stellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist für die Mittelfrequenz einen Wert zwischen 5 und 50kHz vorgesehen, insbesondere einen Wert zwischen 19 und 26 kHz. Insbesondere weist das Kabel und/oder die Isolierung des Kabels einen Außendurchmesser zwischen 3mm und 15 mm auf, insbesondere zwischen 4 und 10mm. Von Vorteil ist dabei, dass die Verluste gering sind und die übertragbare Leistung bei einer vorgegebenen Anordnung sehr hoch.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als Hinleitung und/oder Rückleitung vorgesehene Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar, insbesondere einklipsbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Formteile schnell, einfach und kostengünstig herstellbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als Signalleitungen vorgesehene weitere Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar, insbesondere einklipsbar. Insbesondere sind auch Kunststoff-Formteil für Hinleitung und Kunststoff-Formteil für Rückleitung miteinander formschlüssig verbindbar sind, insbesondere einklipsbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Verlegung und Installation der Anlage schnell, einfach und kostengünstig ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind als Hinleitung und/oder Mittelleiter zwei oder mehr Kabel verwendet, die jeweils eine Litzendrähte umfassende Isolierung umfassen, wobei die beim jeweiligen Kabel umfassten Litzendrähte in elektrischer Verbindung untereinander stehen. Von Vorteil ist dabei, dass höhere Leistungsdichten in einfacher und kostengünstiger Weise erreichbar sind. Denn der Strom teilt sich auf in die einzelnen Kabel, die somit dünner wählbar sind. Als Kabel sind kostengünstige marktübliche Kabel verwendbar, die Litzendrähte umfassen, welche in elektrischer Verbindung miteinander stehen. Somit ist kein HF-Litzen-Kabel verwendet, aber trotzdem für die genannten Frequenzen die negativen Auswirkungen des Skin-Effektes verringert unter Verwendung der genannten Kabel, insbesondere also durch die Verwendung von kostengünstigen Massenprodukten! Die Ausnutzung der Kabelquerschnitte zur Stromübertragung ist daher verbessert Der effektive Leiter-Querschnitt ist also erhöht im Vergleich zu einem einzigen Kabel.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Anschlusselemente, insbesondere Kabelschuh, mit dem Kabel, insbesondere mit einem abisolierten Endteil des Kabels, derart mechanisch kraftschlüssig verbindbar sind, dass eine elektrische Verbindung zwischen Anschlusselement und Kabel erzeugbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass einfache und wenig aufwendige Techniken zur Herstellung der elektrischen Verbindung verwendbar sind. Somit sind nur niedrige Herstellkosten notwendig.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass dem Übertragerkopf sekundärseitig ein Kompensationskondensator parallel geschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass Resonanzbetrieb ausführbar ist und somit ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist beim berührungslosen Übertragen der elektrische Leistung von der Übertragungsstrecke als Primärkreis an den induktiv an diese angekoppelten, zumindest den Übertragerkopf und den Verbraucher umfassenden Sekundärkreis.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Übertragerkopf derart mit einem Kompensationskondensator ausgeführt ist, dass der Übertragerkopf auf seiner Ausgangsseite sich als eingeprägte Stromquelle verhält und/oder der Übertragerkopf zusammen mit seinem Kompensationskondensator eine Mittelfrequenzstromquelle darstellt, insbesondere mit einem möglichst großem Innenwiderstand. Insbesondere ist der Übertragerkopf zur Versorgung eines Umrichters, insbesondere also ein einen Wechselrichter umfassendes Gerät, vorgesehen, wobei zwischen Übertragerkopf und Umrichter eine elektronische Schaltung, insbesondere Anpassschaltung, vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass Elektromotoren versorgbar sind, deren Drehzahl steuerbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Isolierung
2: Litzendrähte
3, 30: Kabelschuh
21: Kunststoff-Formteil
22: Linienleiter-Rückleitung
23: Kunststoff-Formteil
24: Linienleiter-Zuleitung
25: Signalleitung

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert: In der 1 ist das erfindungsgemäße Kabel symbolisch gezeigt. Ebenso ist in den 3a und 3b das Kabel mit Kabelschuh gezeigt.
Das Kabel (3, 30) umfasst zumindest eine Isolierung und mehrere Litzendrähte 2, welche gegeneinander nicht isoliert sind sondern je in elektrischer Verbindung stehen. Das Kabel ist in einfacher und kostengünstiger Weise mittels bekannter und kostengünstiger Anschlusstechnik, also beispielsweise Crimptechnik, mit einem Kabelschuh verbindbar.
Das Kabel (3, 30 ) ist, wie in der 2 gezeigt, als Mittelleiter für das System zur berührungslosen Energieübertragung verwendbar. Es wird also mit einem mittelfrequenten Wechselstrom beaufschlagt, der eine Frequenz aufweist von etwa 20 kHz oder 25 kHz. Auch für Frequenzen von 5 bis 50kHz ist das Kabel noch vorteilig verwendbar.
Bei Bedarf, eine größere Leistung zu übertragen, sind mehrere Kabel parallel verlegbar und somit ein rechteckförmiger Querschnitt ausfüllbar. Dazu weist das Kunststoff-Formteil 23 einen entsprechenden Aufnahme-Raumbereich für die als Linienleiter-Zuleitungen 24 verwendeten Kabel (3, 30) auf. Somit ist der aus HF-Litze gefertigte Mitteleiter 6 der DE 44 46 779 C2 in der vorliegenden Erfindung ersetzt durch die Linienleiter-Zuleitung 24.
Das Kunststoff-Formteil 23 ist formschlüssig mit dem Kunststoff-Formteil 21 verbindbar, insbesondere aufklipsbar.
Außerdem sind die Linienleiter-Rückleitungen 22 in das Kunststoff-Formteil 21 einklipsbar. Ebenso sind auch Signalleitungen 25 einklipsbar.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch andere Verbindungstechniken, die mittels einer mechanischen kraftschlüssigen Verbindung eine elektrische Verbindung herstellbar machen, einsetzbar. Insbesondere auch Schneid-Klemm-Techniken sind einsetzbar.

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung aus einer Mittelfrequenzquelle, insbesondere Mittelfrequenzstromquelle, auf mindestens einen Verbraucher, insbesondere auf einen bewegbaren Verbraucher, über eine Übertragungsstrecke und über mindestens einen dem Verbraucher zugeordneten Übertragerkopf, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstrecke als Hinleitung und/oder als Rückleitung jeweils mindestens ein Kabel umfasst, wobei das Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar ist, insbesondere einklipsbar.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlusselemente, insbesondere Kabelschuh, mit dem Kabel, insbesondere mit einem abisolierten Endteil des Kabels, derart mechanisch kraftschlüssig verbindbar sind, dass eine elektrische Verbindung zwischen Anschlusselement und Kabel erzeugbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Signalleitungen vorgesehene weitere Kabel jeweils in ein Kunststoff-Formteil formschlüssig verbindbar sind, insbesondere einklipsbar.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Formteil für Hinleitung und das Kunststoff-Formteil für Rückleitung miteinander formschlüssig verbindbar sind, insbesondere einklipsbar.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel eine Litzendrähte umfassende Isolierung umfasst, wobei die beim jeweiligen Kabel umfassten Litzendrähte in elektrischer Verbindung untereinander stehen.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit nachgeschalteter Anpassschaltung zum Bereitstellen einer eingeprägten Mittelfrequenz-Spannung für den Verbraucher vorgesehen ist, wobei eine Übertragungsstrecke von einer Mittelfrequenzstromquelle mit einem eingeprägten Mittelfrequenzstrom gespeist wird, wobei die Anpassschaltung als stromgesteuerte Spannungsquelle ausgeführt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Mittelfrequenz einen Wert zwischen 5 und 50kHz vorgesehen ist, insbesondere einen Wert zwischen 19 und 26 kHz.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel und/oder die Isolierung des Kabels einen Außendurchmesser zwischen 3mm und 15 mm aufweist, insbesondere zwischen 4 und 10mm.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hinleitung und/oder Mittelleiter zwei oder mehr Kabel verwendet sind, die jeweils eine Litzendrähte umfassende Isolierung umfassen, wobei die beim jeweiligen Kabel umfassten Litzendrähte in elektrischer Verbindung untereinander stehen.
Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung elektrischer Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Übertragungsstrecke nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst und dem Übertragerkopf sekundärseitig ein Kompensationskondensator parallel geschaltet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf derart mit einem Kompensationskondensator ausgeführt ist, dass der Übertragerkopf auf seiner Ausgangsseite sich als eingeprägte Stromquelle verhält und/oder der Übertragerkopf zusammen mit seinem Kompensationskondensator C_K eine Mittelfrequenzstromquelle darstellt, insbesondere mit einem möglichst großem Innenwiderstand.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragerkopf zur Versorgung eines Umrichters, insbesondere also ein einen Wechselrichter umfassendes Gerät, vorgesehen ist, wobei zwischen Übertragerkopf und Umrichter eine elektronische Schaltung, insbesondere Anpassschaltung, vorgesehen ist.