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Die Erfindung betrifft ein System mit relativ zu einem Primärleitersystem bewegbar angeordnetem Verbraucher.
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Es ist bekannt, elektrische Energie berührungslos über eine induktive Kopplung, beispielsweise ein Transformator oder eine an einen langgestreckten Primärleiter induktiv gekoppelte Sekundärwicklung, zu übertragen.
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Aus der
DE 103 01 978 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik ein über einen Drehtransformator versorgter Piezo-Aktuator bekannt, dessen Schwingungen von einer sekundärseitig angeordneten Steuerung durch Anschalten oder Abschalten von Wechselstrom-Halbwellen jeweils einzeln vorgegeben und gesteuert werden.
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Aus der JP H02- 179 282 A ist ein paralleler Resonanzfrequenzgenerator bekannt.
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Aus der
JP 2001 -
310 457 A ist ein Antrieb für einen Tintenstrahldrucker bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System kostengünstig und einfach herstellbar weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es zumindest einen Verbraucher, insbesondere Resonanzverbraucher, umfasst, wobei der oder die Verbraucher aus einer Sekundärwicklung versorgt sind, wobei die Sekundärwicklung an ein Primärleitersystem induktiv gekoppelt vorgesehen ist, in das ein Wechselstrom von einer Einspeisung einprägbar ist,
wobei der Wert zumindest einer Zustandsgröße des Verbrauchers mittels der Frequenz des dem Verbraucher zugeführten Stromes und/oder der ihn speisenden Spannung steuerbar ist,
wobei die Zustandsgröße eine Geschwindigkeit oder eine Arbeitsrichtung ist,
wobei der Verbraucher ein Piezomotor ist,
wobei die Einspeisung einen Gyrator umfasst, der von einer Wechselspannungsquelle gespeist ist,
wobei der Sekundärwicklung eine Kapazität in Reihe oder parallel derart beschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz des Wechselstromes im Wesentlichen entspricht, insbesondere derart, dass die Frequenz im entsprechend der Güte des Schwingkreises vorgesehenen Resonanzbereich liegt.
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Von Vorteil ist dabei, dass der Verbraucher mittels eines Wechselstroms berührungslos versorgbar ist und somit die Frequenz des versorgenden Wechselstroms als an den Verbraucher übertragbare Information, beispielsweise Steuerinformation, verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wert zumindest einer Zustandsgröße des Verbrauchers mittels der Frequenz des dem Verbraucher zugeführten Stromes und/oder der ihn speisenden Spannung steuerbar. Von Vorteil ist dabei, dass keine weiteren Datenübertragungsmittel notwendig sind. Insbesondere ist der zustand des Verbrauchers auf diese Weise veränderbar, vorzugsweise ohne Zwischenschaltung einer vom Verbraucher umfassten Steuerschaltung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Zustandsgröße eine Geschwindigkeit, insbesondere die Relativgeschwindigkeit zwischen Sekundärwicklung und Primärleitersystem. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Vorgabe der in das Primärleitersystem eingeprägten Stromfrequenz die Geschwindigkeit der Abtriebswelle des als Verbraucher eingesetzten Elektromotors beziehungsweise die Geschwindigkeit des vom als Verbraucher eingesetzten Linearmotors steuerbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Einspeisung einen Gyrator, der von einer Wechselspannungsquelle gespeist ist. Von Vorteil ist dabei, dass somit die am Gyrator eingangsseitig anschließbare Spannungsquelle in eine ausgangsseitig vorgesehene Stromquelle wandelbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sekundärwicklung eine Kapazität in Reihe oder parallel derart beschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz des Wechselstromes im Wesentlichen entspricht, insbesondere derart, dass die Frequenz im entsprechend der Güte des Schwingkreises vorgesehenen Resonanzbereich liegt. Von Vorteil ist dabei, dass trotz schwacher induktiver Koppelung und auch bei Abstandsschwankungen zwischen Primärleitersystem und Sekundärwicklung ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Anteil der Kapazität oder die Kapazität vom Verbraucher umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass zusätzliche Kapazitäten verzichtbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verbraucher ein Piezomotor. Von Vorteil ist dabei, dass die Geschwindigkeit mittels der zugeführten Frequenz steuerbar ist. Vorgeschaltete Gleichrichteranordnungen sind verzichtbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Frequenz weniger als 500 kHz, insbesondere weniger als 100 kHz. Von Vorteil ist dabei, dass als Leistungshalbleiter IGBT oder MOSFET einsetzbar sind und die Verluste insbesondere bei Frequenzen unter 100 kHz oder unter 50 kHz sehr gering haltbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung steuert die Frequenz die Geschwindigkeit des Piezomotors. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Vorgabe der Frequenz der versorgenden Spannung die Geschwindigkeit direkt, also ohne weitere Mittel, wie Steuerungsanordnungen oder dergleichen, vorgebbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der oder die Verbraucher relativ zum Primärleitersystem bewegbar angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass Energie berührungslos übertragbar ist, also verschleißfrei und ohne Funkenbildungsgefahr.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung bewirken die Piezomotoren die zum Primärleitersystem relative Bewegung. Von Vorteil ist dabei, dass die Piezomotoren eine sehr geringe Masse aufweisen und somit das bewegbare Teil, insbesondere das die Sekundärwicklung umfassende Teil, eine geringe Masse oder bei rotatorischer Ausführung ein geringes Trägheitsmoment. Außerdem ist ein hohes Losbrechmoment erreichbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zeitliche Verlauf der Frequenz von einer mit der Einspeisung verbundenen Steuerung vorgebbar. Von Vorteil ist dabei, dass mittels einer primärseitig angeordneten Steuerung ein vorgesehener zeitlicher Verlauf vorgebbar und ohne Notwendigkeit weiterer Datenübertragungsmittel die Geschwindigkeit des sekundärseitig angeordneten Motors vorgebbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Maschine oder Anlage. Von Vorteil ist dabei, dass bewegbar angeordnete Teile der Maschine oder Anlage erfindungsgemäß versorgbar sind und somit sekundärseitig geringe zu bewegende Massen vorsehbar sind. Somit ist eine hohe Dynamik bei Bewegungen erreichbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung führen die Verbraucher eine elektromechanische Schwingform mit der zugeführten Frequenz aus. Von Vorteil ist dabei, dass besonders geringe Verlustleistungen auftreten. Vorzugsweise wird die mechanische Schwingform derart ausgeführt, dass der Resonanzbereich sehr breit ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch skizziert. Hierbei erzeugt die Einspeisung 1 eine einphasige Wechselspannung, die einem Gyrator zugeführt wird, an dessen Ausgang ein Primärleitersystem, beispielsweise eine Primärwicklung oder ein langgestreckt ausgeführte Primärleiterschleife, vorgesehen ist.
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An das Primärleitersystem ist eine Sekundärspule induktiv gekoppelt, was in der 1 mittels der induktiven Kopplung 3 gekennzeichnet ist. Die Kopplung darf schwach ausgeführt sein, da auf der Sekundärseite der Sekundärspule eine Kapazität derart in Reihe oder parallel beschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz des in das Primärleitersystem eingeprägten Wechselstroms entspricht. Aus der Sekundärspule werden sekundärseitig Resonanzverbraucher 1 versorgt. Somit wird trotz der schwachen Kopplung ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung erreicht.
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Als Resonanzverbraucher ist im Ausführungsbeispiel nach 1 ein Piezomotor vorgesehen, dessen Geschwindigkeit, also Drehzahl bei rotatorischer Ausführung des Piezomotors oder lineare Geschwindigkeit bei linearer Ausführung, eine Funktion der eingespeisten Frequenz ist. Somit ist die Geschwindigkeit mittels Vorgabe der Frequenz der Wechselspannungsquelle und somit auch des in den Primärleiterstrom eingeprägten Wechselstroms steuerbar. Vorzugsweise beträgt diese Frequenz weniger als 100 kHz oder zumindest weniger als 500 kHz.
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Vorteil ist bei der Erfindung auch, dass die frequenzerzeugende Elektronik primärseitig, also beispielsweise stationär, angeordnet ist. Somit benötigt das bewegbare sekundärseitige Teil nur wenig aufwendige und somit massearme leichte Elektronik. Die massereichen und somit schweren Frequenzumrichter-Komponenten zur Erzeugung des Wechselstroms für den Primärleiter aus der Netzversorgung.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel sind die Resonanzverbraucher 1 Teil des sekundärseitigen Resonanzkreises. Hierbei ist die Kapazität zumindest teilweise von den Resonanzverbrauchern 1 umfasst. Vorzugsweise bilden die Resonanzverbraucher oder zumindest einer hiervon mit der Sekundärspule den sekundärseitigen Resonanzkreis.
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Auf diese Weise ist auch bei schwacher induktiver Kopplung ein hoher Wirkungsgrad übertragbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die Güte des Resonanzkreises sehr gering gewählt, wodurch ein breiter Frequenzbereich betreibbar ist mit noch hohem Wirkungsgrad. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die eingespeiste Frequenz in einem weiten Frequenzbereich zu variieren.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der Resonanzkreis nicht durch den Resonanzverbraucher gebildet oder es wird dieser vom Resonanzkreis nicht umfasst.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden als Resonanzverbraucher andere Verbraucher gewählt, bei denen zumindest der Wert einer Zustandsgröße dieses Verbrauchers durch Vorgabe der Frequenz des zugeführten Stromes oder der Versorgungsspannung steuerbar ist.
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Insbesondere führt der Piezomotor eine elektromechanische Schwingung aus, also treten mechanische Schwingungsmoden auf, denen mittels Piezoeffekt eine Wechselspannung gleicher Frequenz zugeordnet ist. Dabei ist ein generatorischer und auch ein motorischer Betrieb ausführbar, insbesondere eine entsprechende Spannung dem Piezomotor zuführbar.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die Arbeitsrichtung des Piezomotors, also die Drehrichtung der Rotorwelle beziehungsweise bei linearer Ausführung die lineare Bewegungsrichtung, mittels der Frequenz gesteuert. Hierzu wird der jeweilige Piezomotor derart ausgeführt, dass zumindest bei einer ersten Frequenz eine erste Arbeitsrichtung und bei zumindest einer zweiten Frequenz eine zweite Arbeitsrichtung bewirkt ist. Die Ausführung des piezoelektrischen Motors erfolgt dabei derart, dass ein mit der Wechselspannung versorgtes Piezoelement einen mechanischen Resonator bei einer ersten Frequenz zu einer Schwingungsmode, die die erste Arbeitsgeschwindigkeit bewirkt, und bei einer zweiten Frequenz zu einer anderen Schwingungsmode anregt, die die zweite Arbeitsgeschwindigkeit bewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Resonanzverbraucher
- 2
- Einspeisung
- 3
- induktive Koppelung
