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Die Erfindung betrifft ein System zur berührungslosen Energieübertragung und ein Verfahren.
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Aus der
DE 198 16 762 A1 ist ein Verfahren zur Positionierung und Führung bekannt. Dabei ist gemäß
1 die vertikale Sensorspule über der horizontalen Sensorspule angeordnet. Außerdem muss zwischen den Sensorspulen (
9,
10) und der Sekundärspule
2 zur Energieübertragung ein großer Abstand eingehalten werden.
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In der
DE 198 16 762 A1 wird vorgeschlagen an Verzweigungsstellen oder Kreuzungen Primärströme mit verschiedenen Frequenzen zu verwenden (Spalte
5, Zeile
25) und die Messeinrichtung entsprechend frequenzselektiv auszulegen. Dies führt in der Praxis zu entscheidenden Nachteilen. Eine berührungslose Energieübertragung mit Primärströmen verschiedener Frequenzen erweist sich als sehr aufwendig. Neben mehreren verschiedenen Stromquellen, wird eine variable Kapazität zur Kompensation des Übertragerkopfes am Fahrzeug benötigt. Diese muss im laufenden Betrieb bei jedem Wechsel zu einem Primärleiter-Streckenabschnitt mit anderer Frequenz neu abgeglichen werden, wobei dabei die Energieversorgung nicht unterbrochen werden soll. Zur Unterscheidung der Spuren muss die Messeinrichtung auf die jeweilige Frequenz eingestellt werden und in der Lage sein andere auszufiltern.
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In der Veröffentlichung „Götting KG: Gerätebeschreibung G_19333TA, Spurführungsantenne für induktive Energieübertragung mit Profibus DP. Deutsch, Revision 01, Stand: 18.2.2005“ ist eine Spurführungsantenne beschrieben.
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Aus der
DE 299 07 065 U1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Stirnkanten-Identifikation fahrerloses Fahrzeuge bekannt.
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Aus der
DE 103 38 852 A1 ist eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung bekannt.
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Aus der
EP 1 187 252 A2 ist eine Lenkantenne für ein fahrerloses Transportsystem bekannt.
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Aus der
DE 25 00 792 A1 ist eine elektromagnetische Führungsvorrichtung bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System möglichst kompakt weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei den Systemen nach den in den Ansprüchen 1 oder 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zur berührungslosen Energieübertragung vorgesehen ist,
umfassend einen langgestreckten Primärleiter und mindestens ein über eine Sekundärspule versorgbares Fahrzeug, wobei die Sekundärspule induktiv gekoppelt ist mit dem Primärleiter,
umfassend eine Messeinrichtung mit Sensorspulen zur Detektion von in Fahrtrichtung gesehen seitlicher Positionsänderung des Fahrzeuges gegenüber dem Primärleiter
wobei das Gehäuse der Messeinrichtung auf seiner zum Primärleiter zugewandten Seite nicht-metallisch und auf anderen Seiten metallisch ausgeführt ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass am Fahrzeug die Messeinrichtung nur geringen Abstand von der Sekundärspule aufweisen muss. Es ist sogar ermöglicht, die Messeinrichtung direkt neben der Sekundärspule, zu der selbstverständlich auch deren Ferritkern zählt, anzuordnen. Somit ist das Fahrzeug kompakt aufbaubar. Denn die metallische Gehäusewand schirmt das störende Magnetfeld der Sekundärspule genügend stark ab. Trotzdem ist die Messeinrichtung in hoher Schutzart fertigbar, da auf der den Primärleitern zugewandten Seite Kunststoff als weiteres Gehäuseteil verwendbar ist und dieser dicht verbindbar ist.
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Die Sekundärspule ist in einem sogenannten Übertragerkopf integriert ausgeführt und von dessen Gehäuse geschützt.
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Als Sensorspulen sind Hallsensoren verwendbar.
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Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung eine elektronische Schaltung, welche derart ausgeführt ist, dass mittels der mit den Sensorspulen erfassten Messwerte Informationen für eine Lenkeinrichtung bestimmbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass Daten für die Lenkeinrichtung direkt bestimmt werden und nicht erst zu einem Rechner oder weiteren Vorrichtungen übermittelt werden müssen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Informationen via Bussystem an die Lenkeinrichtung übertragbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Lenkeinrichtung aus bussystemkompatiblen Einheiten aufbaubar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bussystem ein Feldbus-System, insbesondere CAN, Interbus, Profibus. Von Vorteil ist dabei, dass bekannte Einheiten verwendbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Lenkeinrichtung Umrichter, insbesondere zur Versorgung von Elektromotoren. Von Vorteil ist dabei, dass die Lenkeinrichtung mit buskompatiblen Umrichtern realisierbar ist, die beispielsweise jeweils eine Solldrehzahl übermittelt bekommen, wobei die Solldrehzahl dem Lenkwinkel entspricht. Die Umrichter sind dabei derart in elektrische Antriebe integrierbar, dass die von den Umrichtern versorgbaren Elektromotoren jeweils ein Rad antreiben, wobei die Achsen der beiden angetriebenen Räder parallel im Wesentlichen anordenbar sind. Somit sind für die Lenkeinrichtung keine weiteren elektronischen Geräte erforderlich, sondern es müssen nur die Umrichter über das Bussystem mit der Messeinrichtung elektrisch verkabelt und verbunden werden. Insbesondere übermittelt die Lenkeinrichtung eine Solldrehzahldifferenz oder zwei Solldrehzahlen an die beiden Umrichter der Lenkeinrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Solldrehzahldifferenz dem Lenkwinkel im Wesentlichen proportional. Von Vorteil ist dabei, dass die Regelung besonders einfach ausführbar ist.
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Erfindungsgemäß sind zumindest zwei der Sensorspulen dort angeordnet, wo die vertikalen Magnetfeldkomponenten Null oder im Wesentlichen Null sind, wenn das Fahrzeug in Sollposition ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Messung an der Sollposition keinen Offset aufweist und somit keine Kalibrierung notwendig ist.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Systems zur berührungslosen Energieübertragung sind, dass es einen langgestreckten Primärleiter und mindestens ein über eine Sekundärspule versorgbares Fahrzeug, wobei die Sekundärspule induktiv gekoppelt ist mit dem Primärleiter umfasst,
umfassend eine Messeinrichtung mit Sensorspulen zur Detektion von in Fahrtrichtung gesehen seitlicher Positionsänderung des Fahrzeuges gegenüber dem Primärleiter,
wobei die Fahrspur unabhängig von der Frequenz des Primärleiterstromes erkannt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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Bei der Erfindung handelt es sich um ein System zur berührungslosen Energieübertragung, bei dem in einer Anlage ein langgestreckter Primärleiter verlegt ist und ein mit Lenkvorrichtung ausgestattetes Fahrzeug mittels einer Sekundärspule versorgbar ist, die mit dem Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Fahrzeug also nicht schienengebunden. Das Fahrzeug umfasst einen Antrieb und eine Lenkeinrichtung, mit der es ermöglicht ist, eine seitliche Sollposition einzuhalten. Somit ist das Fahrzeug entlang dem Primärleiter bewegbar ohne großen seitlichen Abweichungen. Denn durch die vorhandene Sensorik werden seitliche Abweichungen erfasst und die Lenkeinrichtung mit derartigen Informationen versorgt, dass ein Gegenlenken zum Ausgleichen der Abweichungen ausführbar ist. Vorzugsweise ist der Antrieb in der Lenkeinrichtung integriert ausgeführt.
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In den Primärleiter wird von einer Einspeisevorrichtung ein mittelfrequenter Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 1 und 100 kHz, vorzugsweise 15 bis 30 kHz eingespeist. Der Wechselstrom wird dadurch möglichst konstant gehalten, dass die Einspeisevorrichtung ein Stromquellenverhalten aufweist.
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Das Fahrzeug weist eine Lenkeinrichtung auf, die abhängig von den Signalen von Sensorspulen bedienbar ist.
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Die Sensorspulen sind derart angeordnet, dass die relative Position zu dem Primärleiter oder die relative Änderung der Position zum Primärleiter bestimmbar ist.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in Schrägansicht gezeichnet. Dabei ist das Gehäuseteil 1 metallisch und vom Steckverbinder 4 aus gesehen mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt. Die Bodenplatte 2 ist aus nicht-metallischem Material, insbesondere Kunststoff, ausgeführt. Die Fahrtrichtung ist mit Pfeil und Bezugszeichen 3 gekennzeichnet. Mittels des Gehäuseteils 1 ist die Messeinrichtung unterhalb des Fahrzeuges montierbar.
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In Fahrtrichtung vor und hinter der Messeinrichtung sind Sekundärspulen mit geringem Abstand, insbesondere direkt an die Messeinrichtung angrenzend, anordenbar. Denn wegen des metallischen Gehäuseteils 1 ist eine sehr gute Abschirmung der magnetischen Störfelder, welche von den Sekundärspulen bewirkt sind, ausführbar.
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Vorzugsweise beträgt die Wanddicke des Gehäuseteils 1 mehr als 2 mm. Als besonders vorteilhaft hat sich die Wanddicke von 3 mm erwiesen. Dabei soll das Gehäuseteil 1 idealerweise eine möglichst hohe Leitfähigkeit aufweisen. Es darf keine ferro-magnetischen Eigenschaften haben.
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Der Steckverbinder 4 ist seitlich angebracht und ist auch zum Anschließen eines Feldbusses vorsehbar.
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Innerhalb des Gehäuses ist die Messeinrichtung derart ausgeführt, dass nicht nur die Sensorspulen angeordnet sind, sondern auch eine elektronische Schaltung, die derart ausgeführt ist, dass eine Auswertung der Sensorspulensignale vorsehbar ist.
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Dabei erzeugt die Schaltung Steuer-Informationen zur Ansteuerung der Lenkvorrichtung des Fahrzeuges, wobei diese Informationen über den Steckverbinder mittels Feldbus an andere Feldbus-Geräte, wie beispielsweise die Lenkeinrichtung, übermittelt werden.
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Die Lenkeinrichtung umfasst dabei elektrische Antriebe, welche die Fahrräder des Fahrzeuges antreiben. Vorzugsweise umfassen die Antriebe hierzu feldbusfähige Umrichter zur Versorgung von Elektromotoren der Antriebe. Vorzugsweise werden zwei von vier Rädern angetrieben. Dabei erhalten die Umrichter, welche die Elektromotoren versorgen, welche zum Antreiben mit den beiden angetriebenen Rädern verbunden sind, Solldrehzahlen von der Messeinrichtung. Bei gleich großen Solldrehzahlen fährt das Fahrzeug im Wesentlichen geradeaus. Wenn nun die Messeinrichtung eine seitliche Abweichung relativ gemessen zu den Primärleitern detektiert, werden die beiden Solldrehzahlen entsprechend unterschiedlich gestellt, also eine Solldrehzahldifferenz vorgegeben. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass das Fahrzeug dem Verlauf der Primärleiter folgt.
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Vorzugsweise sind die Sensorspulen in Paaren angeordnet, wobei die beiden Spulen des jeweiligen Paares zueinander senkrecht angeordnet sind.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Spulen auf einer Leiterplatte angeordnet und mit Lötverbindung mit Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden. Vorzugsweise sind sie mit SMD Technik elektrisch verbunden. Die Verwendung von SMD Technik ermöglicht, die mechanischen Toleranzen der im Folgenden erläuterten Spulenpositionen klein genug zu halten, um einen gerätespezifischen Feinabgleich zu vermeiden.
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Die Wärme der Elektronik ist gut über das Gehäuseteil 1 an die Umgebung abführbar, da es metallisch ausgeführt ist.
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2 zeigt den Hinleiter L1 und den Rückleiter L2 der Primärleiterschleife. Dabei sind die Primärleiter voneinander mit einem Abstand a, also 140mm, beabstandet.
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Im Fahrzeug sind die horizontal ausgerichteten Sensorspulen 20 in einer Genauigkeit von 1 mm mit ihrem geometrischen Schwerpunkt genauso weit voneinander beabstandet, also mit dem Abstand a.
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Auf derselben Leiterplatte ist in Fahrtrichtung, also Normalenrichtung der Zeichnungsebene der 2, vor oder hinter der jeweiligen horizontal ausgerichteten Sensorspulen 20 eine vertikal ausgerichtete Sensorspule 21 vorgesehen.
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Die Sensorspulen (20,21) sind auf einer Leiterplatte 22 im Inneren der Messeinrichtung nach 1 ausgerichtet und verbunden.
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Es werden vorteiligerweise drei Sensorspulenpaare verwendet, von denen zwei den Primärleitern zugeordnet sind. Sollposition des Fahrzeuges ist also, dass die beiden Spulenpaare vertikal genau über den Primärleitern L1 und L2 angeordnet sind. Ein weiteres Sensorspulenpaar ist in der Mitte zwischen den beiden erstgenannten Sensorspulenpaaren angeordnet. Somit ist die Abweichung des Fahrzeuges sehr genau und einfach detektierbar, insbesondere horizontale Abweichungen, aber auch vertikale Abweichungen. Die Horizontalrichtung ist dabei als Verbindungsrichtung der beiden Primärleiter L1 und L2 definiert.
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Da die beiden erstgenannten, also äußeren Sensorspulenpaare mit ihrer Sollposition genau in der Mitte des linear verlaufenden Bereiches der vertikalen Magnetfeldkomponente angeordnet sind, ist eine besonders steile Kennlinie erreichbar und somit eine hohe Empfindlichkeit. Dabei ist diejenige Kennlinie zu verstehen, die die Induktionsspannung der vertikal angeordneten Spule gegenüber der Horizontalabweichung des Fahrzeuges von der Sollposition darstellt.
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Das in der Mitte zwischen den beiden Primärleitern angeordnete Spulenpaar misst in seiner Sollposition genau im Nulldurchgang der horizontalen Magnetfeldkomponente. Dies bietet den Vorteil, dass bei der Messung im mittleren System prinzipiell kein Offset auftreten kann, der später abgeglichen werden muss. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Kennlinie der Induktionsspannung in der horizontal angeordneten Spule gegenüber der Horizontalabweichung hier ihren steilsten Verlauf hat. Da diese Position zugleich die Mitte des linear verlaufenden Bereiches darstellt, wird auch hier bei Spurabweichungen in beide Richtungen eine sehr gute Empfindlichkeit erreicht.
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Die Horizontalrichtung ist dabei als Verbindungsrichtung der beiden Primärleiter L1 und L2 definiert.
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Im Unterschied zu 2 weisen bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 die beiden äußeren Sensorspulen einen größeren Abstand auf als der Abstand a. Insbesondere ist dabei die Anordnung derart ausgeführt, dass diese Spulen dort angeordnet sind, wo der die vertikalen Magnetfeldkomponenten Null oder im Wesentlichen Null sind. Dies bietet den Vorteil, dass wie zuvor für das mittlere Sensorspulenpaar erläutert kein Offset bei der Messung in Sollposition auftritt und somit ein Abgleich entfällt.
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Somit ist eine sehr genaue Positionsbestimmung ausführbar.
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Bei den 2 und 3 sind die Abstände und Dimensionierungen aus den Abbildungen selbst ersichtlich.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind andere Dimensionierungen vorteilhaft.
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Eine gegenüber dem Stand der Technik viel einfachere Auswahl der Fahrspur kann durch geeignete Verwendung der drei oben erläuterten Spulenpaare realisiert werden. 4-9 verdeutlichen das Fahren an Weichen und über Störstellen bei gleichbleibender Primärstromfrequenz. Jede dieser Figuren zeigt die Position der Messeinrichtung zu drei Zeitpunkten, wobei t0 < t1 < t2 gilt. Der Pfeil zeigt die Fahrrichtung an. Die drei Kreise symbolisieren die drei Sensorspulenpaare. Die Primärleiter sind entlang den Fahrspuren verlegt. Im Fahrbetrieb wird immer nur ein Sensorspulenpaar zur Messung der Fahrspur ausgewertet. Von einem Fahrzeug-Leitrechner kann eine Umschaltung des verwendeten Sensorspulenpaares veranlasst werden. Der schwarz ausgefüllte Kreis symbolisiert jeweils das zur Messung verwendete Sensorspulenpaar.
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6 und 7 zeigen Unterbrechungen des Primärleiters aufgrund von Anschlussstellen für die Stromquellen bzw. für die Kompensation der Primärleiterinduktivität. In 8 ist eine Stoßstelle von zwei unabhängigen Primärleiter-Streckenabschnitte dargestellt und 9 verdeutlicht das Fahren über Kreuzungen hinweg. Hierbei ist von entscheidender Bedeutung, dass die Kreuzung der beiden Linienleiter rechtwinklig ausgeführt wird, weil dann das Magnetfeld des kreuzenden Primärleiterpaares orthogonal zur horizontal verlaufenden Sensorspule des hier verwendeten mittleren Sensorspulenpaares verläuft und somit von dieser nicht erfasst wird.
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Ein vorteilhafter Aufbau der Messwertaufbereitung verwendet eine Synchrongleichrichtung zur Messung der Spurabweichung von der Sollposition. 10 zeigt das Blockschaltbild einer solchen Synchrongleichrichtung für die Spurmessung mit einem der äußeren Sensorspulenpaare.
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Die induzierte Wechselspannung U_V in der vertikalen Sensorspule dient dabei als Eingangssignal, die induzierte Wechselspannung U_H in der horizontalen Sensorspule als Steuersignal des Synchrongleichrichters. Am Ausgang der Synchrongleichrichtung ergibt sich eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung. Ihr Betrag entspricht dem arithmetischen Mittelwert der gleichgerichteten Spannung U_V und ist somit ein Maß für den Betrag der Spurabweichung. Ihr Vorzeichen gibt die Richtung der Spurabweichung an.
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Zur Spurmessung anhand des mittleren Sensorspulenpaares dient abweichend von den äußeren Systemen, die Induktionsspannung der horizontalen Sensorspule als Eingangssignal und die Induktionsspannung der vertikalen Sensorspule als Steuersignal. Dies ergibt sich aus dem Verlauf der entsprechenden Kennlinien, wie oben beschrieben.
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Entscheidender Vorteil ist neben dem einfachen Aufbau, dass diese Schaltung unabhängig von der Frequenz des Primärstromes arbeitet und somit universell einsetzbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messeinrichtung bildet diese in jedem der drei Messsysteme zusätzlich den Betrag der jeweiligen Steuerspannung und leitet diesen an die integrierte Rechnereinheit. Dies ermöglicht in der Rechnereinheit eine Division der Eingangsspannung des Synchrongleichrichters durch den Betrag der Steuerspannung durchzuführen. Die hierdurch generierte neue Kennlinie bietet wesentliche Vorteile gegenüber einer direkten Verwendung des Ausgangssignales der Synchrongleichrichtung.
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Diese Vorteile sind eine Linearisierung der Kennlinie im Randbereich der äußeren Messsysteme, eine Unabhängigkeit der Kennlinie von den Schwankungen der Messhöhe in einem bestimmten Bereich bei Messung anhand des mittleren Messsystems sowie die Unabhängigkeit der gebildeten Kennlinie vom Effektivwert des Primärleiterstromes bei allen drei Messsystemen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung mit Rechnereinheit wertet die Ausgangssignale der Messwertaufbereitung derart aus, dass eine automatische Umschaltung des verwendeten Messsystems an Störstellen erfolgt.
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Vorzugsweise werden möglicherweise vorhandene Kennlinienoffsets der verschiedenen Messsysteme in der Rechnereinheit der Auswerteeinrichtung abgelegt. Diese können somit programmtechnisch angepasst werden. Ein umständlicher, manueller Abgleich mit Hilfe von Potentiometern wird somit vermeidbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Rechnereinheit führt diese durch anfängliche einmalige Messung beim Einschalten oder auf Wunsch einen automatischen Feinabgleich aller drei Systemoffsets durch, sofern diese existieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseteil, insbesondere metallisch und mit U-förmigem Querschnitt
- 2
- Bodenplatte, insbesondere aus Kunststoff
- 3
- Fahrtrichtung
- 4
- Steckverbinder
- 20
- horizontale Sensorspule
- 21
- vertikale Sensorspule
- 22
- Leiterplatte
- L1
- Hinleiter
- L2
- Rückleiter
