DE102008013649B4

DE102008013649B4 - Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008013649B4
Application number: DE102008013649A
Authority: DE
Inventors: Günter Becker; Leobald Podbielski; Bernhard Schneider
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: DE102008013649A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung,
wobei an einen als Linienleiter (4) ausgeführten Primärleiter zur Einspeisung der Energie eine Sekundärspule (1) zur Aufnahme der Energie elektromagnetisch, insbesondere induktiv, gekoppelt ist,
wobei der Linienleiter (4) zwischen einer Schicht aus weichmagnetischem Material und der Sekundärspule (1) angeordnet ist,
wobei die Schicht auf der von der Sekundärspule (1) abgewandten Seite des Linienleiters (4) angeordnet ist,
wobei der Linienleiter (4) in einer Nut, die in einem festen Untergrund vorgesehen ist, verlegt ist,
wobei die weichmagnetische Schicht als Pulver in der Nut vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung und Verwendung der Vorrichtung.
Aus der DE 103 12 284 A1 ist ein System zur berührungslosen Energieübertragung bekannt. Beispielsweise wird für die Versorgung eines Bodentransportfahrzeuges ein Linienleiter im Boden verlegt, ein flacher Übertragerkopf greift die Energie von diesem ab und stellt sie auf dem Fahrzeug zur Verfügung.
Aus der DE 10 2007 033 329 A1 ist ein Verfahren zum Verlegen von Linienleitern bekannt, das es ermöglicht in bereits bestehenden Untergrund die zur Versorgung notwendigen Linienleiter einzubringen.
Aus der DE 10 2004 041 692 A1 ist eine Vorrichtung zum Schutz von Anlagenbauteilen bekannt. Durch ein entsprechend dickes Aluminiumblech werden Eisenteile der Anlage vor dem Eindringen des Linienleiterfeldes geschützt.
Aus der FR 2 387 138 A ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, bei der der Primärleiter zwischen einer weichmagnetischen Schicht und der Sekundärspule angeordnet ist.
Aus der EP 0 289 868 A2 ist ein Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung bekannt, bei der Sand um den Primärleiter herum vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2005 022 649 B3 ist ein öffenbares und wieder schließbares Halteteil für den Primärleiter bei einer Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung offenbart.
Aus der DE 197 46 919 A1 ist bekannt, Ferritplatten auf der der Sekundärwicklungsanordnung gegenüberliegenden Seite des Primärleiters anzuordnen.
Aus der DE 199 14 395 A1 ist ein Übertrager bekannt, bei dem ein flexibles und gleitendes ferromagnetisches Material zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil des Übertragers angeordnet ist.
Aus der DE 100 37 362 C1 sind U-förmige Halteteile zur Aufnahme des Primärleiters bekannt, wodurch eine Bodenverlegung verbessert wird, insbesondere auch die Verlegehöhe des Primärleiters einstellbar wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung den Wirkungsgrad zu verbessern und insbesondere bei der Bodenverlegung des Primärleiters Verbesserungen zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung nach den in Anspruch 1 und bei der Verwendung nach den in Anspruch 8 oder 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung sind, dass
an einen als Linienleiter ausgeführten Primärleiter zur Einspeisung der Energie eine Sekundärspule zur Aufnahme der Energie elektromagnetisch, insbesondere induktiv, gekoppelt ist,
wobei der Linienleiter zwischen einer Schicht aus weichmagnetischem Material und der Sekundärspule angeordnet ist,
wobei die Schicht auf der von der Sekundärspule abgewandten Seite des Linienleiters angeordnet ist,
wobei der Linienleiter in einer Nut, die in einem festen Untergrund vorgesehen ist, verlegt ist,
wobei die weichmagnetische Schicht als Pulver in der Nut vorgesehen ist.
Von Vorteil ist dabei, dass der magnetische Hauptfluss des Linienleiters auf einer vorgebbaren Bahn führbar ist. Ein Eindringen in tiefere Bereiche des festen Untergrundes ist dadurch eindämmbar, insbesondere sind Wechselwirkungen mit im festen Untergrund befindlichen Eisenteilen stark reduzierbar.
Obwohl das elektromagnetische Wechselfeld des Linienleiters in alle Raumrichtungen abstrahlt, ist mittels der Erfindung die Wechselwirkung mit leitenden Metallteilen in der Umgebung vermindert und somit der Wirkungsgrad verbessert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Anwendung bei einem im Boden verlegten Linienleiter flexibel und preisgünstig zu gestalten und steigert zusätzlich die durch das System übertragbare Leistung.
Von Vorteil ist bei der Nutausführung, dass die Herstellung einfach ist, insbesondere ist die Nut auch in den Wandbereichen einfach auskleidbar.
Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die weichmagnetische Schicht bezüglich der geometrischen Gegebenheiten in der Nut optimal anpassbar ist. Luftspalte zwischen weichmagnetischem Material und Nutwänden sind somit vermeidbar.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Pulver als Beimengung zu Baustoffen zugemischt werden kann und somit direkt mit dem festen Untergrund verbindbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schichtdicke der weichmagnetischen Schicht jeweils auf den lokalen Bedarf anpassbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführung besteht die weichmagnetische Schicht aus MnZn oder aus NiZn Ferriten. Von Vorteil ist dabei, dass die auskleidende Schicht einfach und kostengünstig herstellbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die weichmagnetische Schicht als ferritbeschichtetes Band in der Nut vorsehbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Handhabung des weichmagnetischen Stoffes beim Verlegen des Linienleiters stark vereinfachbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die weichmagnetische Schicht auf den Nutgrund einzubringen. Von Vorteil ist dabei, dass der Bedarf an weichmagnetischem Material stark reduzierbar ist und die Handhabung vereinfach bar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist zwischen dem Primärleiter und der Schicht aus weichmagnetischem Material ein amagnetisches Abstandsmaterial vorgesehen, insbesondere also ein nicht-magnetisches Material, wie Quartzsand oder dergleichen. Somit ist ein gewisser Abstand zwischen dem Primärleiter und der Schicht realisierbar, wodurch die Umlenkung der Feldlinien mit besserer Effizienz erreichbar ist, und der Primärleiter ist in der amagnetischen Schicht mechanisch gehalten. Außerdem ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen Primärleiter und der Schicht erhöht, wodurch die magnetischen Eigenschaften der Schicht unabhängiger sind von der erzeugten Wärme.
Wichtige Merkmale bei der Verwendung nach Anspruch 8 sind, dass der Untergrund ein Boden aus Stahlteile enthaltendem Beton ist, wodurch die Stahlteile thermisch geschützt sind.
Wichtige Merkmale bei der Verwendung nach Anspruch 9 sind, dass in den Primärleiter ein mittelfrequenter Strom eingeprägt wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz, und die Sekundärspule ist mit einer Kapazität derart in Reihe und/oder parallel geschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht. Vorteiligerweise ist somit auch bei praktisch auftretenden Abstandsänderungen keine wesentliche Änderung des Wirkungsgrades vorhanden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
In der hier vorliegenden Schrift wird unter nichtmagnetischem Material auch diamagnetisches oder paramagnetisches Material verstanden. Im Sinne der Erfindung ist aber antiferromagnetisches Material ebenfalls nichtmagnetisch.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Die 1 zeigt eine herkömmliche, nicht vom Schutzumfang der Patentansprüche umfasste Vorrichtung zur induktiven Energieübertragungmit einem im Boden 7 verlegten Linienleiterpaar 4. Es handelt sich um Hin und Rückleiter einer Koppelschleife zur kontaktlosen Energieversorgung bei bisheriger Verlegung.
Bei einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst das System einen elektrisch angetriebenen Fahrwagen mit einer Sekundärspule, die induktiv gekoppelt ist an ein im festen Boden verlegtes Primärleitersystem, in das ein mittelfrequenter Strom, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz, eingeprägt ist, wobei die Sekundärspule mit einem Kondensator derart parallel oder in Reihe beschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des mittelfrequenten Stromes entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass zwar große Ströme als Primärstrom erlaubt sind, beispielsweise mehr als 1, 10 oder 100 Ampere. Durch die resonante Übertragung ist eine enorme Leistung, beispielsweise von 300 Watt, 1 kW und mehr übertragbar.
Entsprechend dem Verfahren, das aus der DE 10 2007 033 329 A1 bekannt ist, werden in einen vorhandenen festen Boden zwei Nuten gefräst, in diese Nuten wird Quarzsand eingefüllt, in den dann die Linienleiter eingelegt wird. Nach oben werden die Nuten mit einer Abdeckung verschlossen. Quarzsand und Abdeckung sind zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Unterhalb der Bodennuten liegen die Moniereisen 3, die als Geflecht aus Quer- und Längsstäben ausgebildet sind. Um die Tragfähigkeit und Stabilität des Bodens nicht zu verändern, dürfen diese beim Fräsen der Nuten nicht verletzt werden.
Oberhalb der Linienleiterschleife ist ein induktiver Übertragerkopf (pick up) im Schnitt angedeutet. Zu sehen sind dabei die Wicklung 1 und der magnetisch leitende Ferritkörper 2.
Der Verlauf des magnetischen Hauptflusses 5 ist durch einige exemplarische Feldlinien dargestellt. Dort wo der magnetische Hauptfluss 5 auf die Moniereisen 3 trifft, werden an der Oberfläche Wirbelströme 6 induziert. Diese Wirbelströme 6 stellen einen ohmschen Widerstand dar, der zu einer unerwünschten Erwärmung der Moniereisen 3 und damit zu einem Energieverlust bei dem System zur kontaktlosen Energieübertragung führt.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Verlegung des Linienleiterpaares gezeigt.
Der magnetische Hauptfluss 5 wird unterhalb der Linienleiter 4 durch die eingebrachte Ferritschicht 8 gebündelt und wirksam an der Moniereisen 3 vorbeigeleitet. Es entsteht ein Parallelweg für den magnetischen Hauptfluss 5 mit niedriger Impedanz, wodurch die Wirbelströme 6 stark reduziert werden.
Das Ferritmaterial besteht vorzugsweise aus MnZn Ferriten. Die Ferritschicht kann wahlweise als Platten- oder Rundmaterial, als gemahlenes Pulver oder als ferritbeschichtetes Band verlegt werden.
Bei der Erfindung ist statt des genannten Ferritmaterials beziehungsweise weichmagnetischen Materials jedes Ferro- oder Ferrimagnetische Material ebenfalls vorteilig verwendbar. Somit ist unter Ferritmaterial auch solches Material zu verstehen.

1: Sekundärwicklung, Sekundärspule, Wicklung
2: Ferritkörper
3: Moniereisenmatte
4: Linienleiter
5: magnetischer Hauptfluss
6: Wirbelströme
7: Bodenoberfläche
8: Ferritschicht

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung, wobei an einen als Linienleiter (4) ausgeführten Primärleiter zur Einspeisung der Energie eine Sekundärspule (1) zur Aufnahme der Energie elektromagnetisch, insbesondere induktiv, gekoppelt ist, wobei der Linienleiter (4) zwischen einer Schicht aus weichmagnetischem Material und der Sekundärspule (1) angeordnet ist, wobei die Schicht auf der von der Sekundärspule (1) abgewandten Seite des Linienleiters (4) angeordnet ist, wobei der Linienleiter (4) in einer Nut, die in einem festen Untergrund vorgesehen ist, verlegt ist, wobei die weichmagnetische Schicht als Pulver in der Nut vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutwandung mit der Schicht aus weichmagnetischem Material zumindest teilweise ausgekleidet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Nutwandung und der Schicht aus weichmagnetischem Material Quarzsand vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Primärleiter und der Schicht aus weichmagnetischem Material Quarzsand vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetische Schicht zumindest Ferritmaterial (8) aufweist, insbesondere als in ein nicht-magnetisches Material eingemischte Ferritkörner.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetische Schicht als ferrithaltiger Kunststoff vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetische Schicht auf dem Nutgrund vorgesehen ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund ein Boden (7) aus Stahlteile (3) enthaltendem Beton ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Primärleiter ein mittelfrequenter Strom eingeprägt wird, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz, und die Sekundärspule mit einer Kapazität derart in Reihe und/oder parallel geschaltet ist, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Mittelfrequenz entspricht.