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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zwischen einer stationären Versorgungseinheit und wenigstens einer beweglichen Einheit, wobei die wenigstens eine bewegliche Einheit relativ zu der stationären Versorgungseinheit längs eines Verfahrwegs verfahrbar ist, wobei an die stationäre Versorgungseinheit ein Primärleiter angeschlossen ist, welcher Primärleiter längs des Verfahrwegs angeordnet ist, wobei die stationäre Versorgungseinheit Mittel zur Einspeisung eines Wechselstroms mit vorgegebener Frequenz in den Primärleiter aufweist, und wobei die wenigstens eine bewegliche Einheit ein Koppelmittel und wenigstens einen elektrischen Verbraucher aufweist, wobei das Koppelmittel induktiv mit dem Primärleiter gekoppelt ist und der wenigstens eine elektrische Verbraucher elektrisch an das Koppelmittel angeschlossen ist.
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Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 103 12 792 B3 bekannt und haben sich vielfach bewährt. Hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ist für derartige Vorrichtungen für die bei der berührungslosen, induktiven Energieübertragung verwendeten Frequenzbereiche unter Umständen der Erwerb einer Zulassungsgenehmigung erforderlich.
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Aus der
DE 10 2004 049 982 A1 ist eine derartige Vorrichtung mit einem E-förmigen Kern und einem Primärleiter, der einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist, gezeigt.
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Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist ferner aus der bekannt
DE 103 44 144 A1 , bei der das Koppelmittel einen U-förmigen Kern und der Primärleiter einen Hin- und einen Rückleiter aufweisen.
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Aus der
DE 103 38 852 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Anordnung zur berührungslosen induktiven Übertragung elektrischer Leistung bekannt.
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Aus der JP H01- 248 698 A ist ein elektromagnetisch abschirmendes Material bekannt.
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Aus der
US 5 709 291 A ist eine Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Leistung an einen bewegbaren Verbraucher bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung weiterzubilden, die verbesserte EMV-Eigenschaften aufweist.
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Zur Lösung ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Primärleiter an seinem Umfang von einer elektromagnetischen Schirmung umgeben ist, durch welche der Primärleiter nach außen elektromagnetisch geschirmt ist, wobei die elektromagnetische Schirmung einen flexiblen Bereich aufweist ist, der sich längs wenigstens eines Abschnitts des Verfahrwegs erstreckt, und dass das Koppelmittel in Gebrauchslage den flexiblen Bereich in einem Teilbereich des flexiblen Bereichs durchgreift, wobei sich der flexible Bereich in dem Teilbereich an das Koppelmittel derart anpasst, dass der Primärleiter auch in dem Teilbereich durch die Schirmung nach außen geschirmt ist, wobei das Koppelmittel in Gebrauchslage mit der beweglichen Einheit längs des Abschnitts des Verfahrwegs verfahrbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die elektromagnetische Schirmung den Austritt elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich des verwendeten Wechselstroms auch im Bereich des Eingriffs bzw. Durchgriffs des Koppelmittels, also dem Bereich der Kopplung, reduziert bzw. sogar verhindert. Der flexible Bereich entwickelt dabei eine Rückstellkraft gegen seine Auslenkung aus seiner Ruhelage, wobei die Auslenkung durch das den flexiblen Bereich durchgreifende Koppelmittel bewirkt ist. Somit passt sich der flexible Bereich in dem Teilbereich an die durch die äußere Kontur des beteiligten Bereichs des Koppelmittels an. Je nach Elastizität und Ausbildung des flexiblen Bereichs kann sogar ein Anschmiegen des flexiblen Bereichs an das Koppelmittel erreicht werden, wodurch keine Luftspalte zwischen dem flexiblen Bereich und dem Koppelmittel ausgebildet sind.
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Als Material für die elektromagnetische Schirmung ist beispielsweise ein magnetisch leitfähiges Material, vorzugsweise ein weichmagnetisches Material, und/oder elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer oder Stahl oder eine metallische Legierung, verwendbar.
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Erfindungsgemäß begrenzt der flexible Bereich einen Schlitz zumindest einseitig entlang einer Längsseite des Schlitzes, der sich längs des Verfahrwegs erstreckt. Das Koppelmittel greift in Gebrauchslage durch diesen Schlitz hindurch und bewirkt somit eine induktive Kopplung mit dem Primärleiter. Besonders günstig ist es dabei, wenn der flexible Bereich den Schlitz beidseitig entlang beider Längsseiten des Schlitzes begrenzt. Dieser Schlitz kann offen ausgebildet sein. Der Schlitz kann auch geschlossen ausgebildet sein, wenn sich die den Schlitz begrenzenden Teile, also Ränder, des Teilbereichs des flexiblen Bereichs berühren und/oder überlappen.
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Erfindungsgemäß weist der flexible Bereich wenigstens eine Bürstenleiste auf, wobei die Bürstenleiste Borsten mit zumindest bereichsweise metallischer und/oder weichmagnetischer Oberfläche aufweist. Die Borsten können somit ganz aus einem metallischen und/oder weichmagnetischen Material gefertigt sein oder mit einem metallischen und/oder weichmagnetischen Material beschichtet sein.
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Vorzugsweise schließt der flexible Bereich bzw. schließen die Borsten der Bürstenleiste elektrisch einen Faradayschen Käfig um den Primärleiter.
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Erfindungsgemäß ist der flexible Bereich aus zwei Bürstenleisten ausgebildet, wobei die Bürstenleisten jeweils Borsten aufweisen, wobei freie Enden der Borsten einer Bürstenleiste freie Enden der Borsten der anderen Borstenleiste berühren, insbesondere in den Bereichen mit metallischer und/oder weichmagnetischer Oberfläche.
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Zur Bewirkung einer Rückstellkraft gegen eine durch das Koppelmittel hervorgerufene Verformung des flexiblen Bereichs kann vorgesehen sein, dass die Borsten aus einem elastischen Material gefertigt sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schirmung ein Trägerelement mit U-förmigen Profil aufweist, wobei das Trägerelement eine Aufnahme für das Koppelmittel bildet. Das Trägerelement ist vorzugsweise aus einem starren, unflexiblen Material gefertigt und stellt die mechanische Stabilität der Vorrichtung bereit.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Trägerelement eine metallische und/oder weichmagnetische Oberfläche aufweist. Das Trägerelement kann somit ganz aus einem metallischen und/oder weichmagnetischen Material gefertigt sein oder aus einem Kunststoff gefertigt und mit einem metallischen und/oder weichmagnetischen Material beschichtet sein. Das Trägerelement formt somit einen Teil der elektromagnetischen Schirmung.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn der flexible Bereich an den freien Schenkeln des U-förmigen Profils des Trägerelements für das Koppelmittel ausgebildet ist.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Primärleiter in der Aufnahme für das Koppelmittel angeordnet ist. Somit ist der Primärleiter durch das Trägerelement vor mechanischer Beanspruchung geschützt.
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Der Primärleiter kann als einfacher Leiter entlang des Verfahrwegs geführt und vom Ende des Verfahrwegs zurück zur stationären Versorgungseinheit geführt sein. Zur Verminderung des elektromagnetischen Fernfelds kann jedoch vorgesehen sein, dass der Primärleiter einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist, die längs des Verfahrwegs angeordnet sind.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Koppelmittel einen ferromagnetischen Kern mit einer nach einer Seite offenen Ausnehmung aufweist, durch die der ferromagnetische Kern U-förmig ausgebildet ist, wobei ein Primärleiterabschnitt des Primärleiters in der Ausnehmung angeordnet ist und der ferromagnetische Kern den Primärleiter an dessen Umfang in dem Primärleiterabschnitt teilweise umgreift.
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Erfindungsgemäß weist das Koppelmittel einen ferromagnetischen Kern mit einer ersten Ausnehmung und einer zweiten Ausnehmung auf, die nach einer Seite offen sind, wobei durch die Anordnung der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung eine E-Form des ferromagnetischen Kerns gebildet ist, und dass der Hinleiter des Primärleiters in der ersten Ausnehmung und der Rückleiter des Primärleiters in der zweiten Ausnehmung abschnittsweise angeordnet sind und die Schenkel der E-Form des ferromagnetischen Kerns den Primärleiter an dessen Umfang in einem Primärleiterabschnitt teilweise umgreifen.
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Besonders günstig ist es, wenn der Rückleiter als Teil der Schirmung ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Rückleiter an dem Trägerelement ausgebildet oder ist durch das Trägerelement gebildet.
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Versuche haben ergeben, dass ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung erreicht wird, wenn die stationäre Versorgungseinheit Mittel zum Einprägen eines Wechselstromes mit einer mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz aufweist. Eine für viele Anwendungen ausreichende Energieversorgung wird erreicht, wenn die stationäre Versorgungseinheit Mittel zum Einprägen eines Wechselstromes mit einer Stromstärke von wenigstens 10 A aufweist.
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Zur Bewirkung der induktiven Kopplung an den Primärleiter kann vorgesehen sein, dass das Koppelmittel eine Sekundärinduktivität aufweist.
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Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrads der Energieübertragung kann vorgesehen sein, dass die Sekundärinduktivität der wenigstens einen beweglichen Einheit seriell und/oder in Reihe kapazitiv zu einem Resonanzschwingkreis ergänzt ist, wobei die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingkreises auf die Frequenz des mit der stationären Versorgungseinheit in den Primärleiter eingespeisten Wechselstroms abgestimmt ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Koppelmittel an der wenigstens einen beweglichen Einheit beweglich angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Koppelmittel aus der Gebrauchslage in einer zweiten Lage bewegt werden kann, in welcher das Koppelmittel außerhalb der elektromagnetischen Schirmung angeordnet ist und daher nicht an den Primärleiter induktiv gekoppelt ist. Somit kann ein beweglicher Verbraucher, der momentan nicht aus dem Primärleiter mit Energie versorgt werden soll, von dem Primärleiter getrennt werden, wodurch eventuell an der Stelle des Durchgriffs austretende Reststrahlung weiter vermindert werden kann. Auch können auf diese Weise zwei bewegliche Verbraucher aneinander vorbeifahren, die aus demselben Primärleiter versorgt werden.
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Die beweglichen Verbraucher können mit einer mechanischen Spurführung entlang des Verfahrwegs geführt sein, oder es kann ein Regelkreis an den beweglichen Verbrauchern ausgebildet sein, durch welchen eine Lenkung des jeweiligen beweglichen Verbrauchers in Abhängigkeit von seitlichen Abweichungen des beweglichen Verbrauchers von der Lage des Primärleiters angesteuert wird.
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Die elektromagnetische Schirmung kann eine weichmagnetische Schicht aufweisen. Diese weichmagnetische Schicht kann aus MnZn Ferriten und/oder aus NiZn Ferriten bestehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Trägerelement ein Fußboden mit einer Nut ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die weichmagnetische Schicht der Schirmung als Plattenmaterial und/oder als Pulver und/oder als ferritbeschichtetes Band in die Nut eingebracht ist.
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Eine nochmals verbesserte Abschirmung wird erreicht, wenn die weichmagnetische Schicht auf den Nutgrund eingebracht ist.
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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.
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Es bezeichnet in den Figuren
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung
- 2
- stationäre Versorgungseinheit
- 3
- beweglicher Verbraucher
- 4
- Primärleiter
- 5
- Hinleiter
- 6
- Rückleiter
- 7
- Koppelmittel
- 8
- elektromagnetische Schirmung
- 9
- flexibler Bereich
- 10
- Bürstenleiste
- 11
- Borste
- 12
- Schlitz
- 13
- Borstenende
- 14
- Trägerelement
- 15
- ferromagnetischer Kern
- 16
- Sekundärinduktivität
- 17
- Teilbereich
- 18
- Aufnahme
- 19
- Schenkelende
- 20
- Ausnehmung
- 21
- Streifen
- 22
- Boden
- 23
- Umfang
- 24
- Verfahrweg
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung,
- 2 eine schematische Schnittansicht durch einen Primärleiter mit erfindungsgemäßer elektromagnetischer Schirmung und
- 3 eine schematische Schnittansicht durch den Primärleiter gemäß 1 mit Koppelmittel in Gebrauchslage.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer im Ganzen mit 1 bezeichneten Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung zwischen einer stationären Versorgungseinheit 2 und vier beweglichen Einheiten 3. Es können auch mehr als vier oder weniger als vier bewegliche Einheiten 3 verwendet werden.
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An die stationäre Versorgungseinheit 2 ist ein Primärleiter 4 angeschlossen, der einen Hinleiter 5 und einen Rückleiter 6 aufweist.
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Jede bewegliche Einheit 3 ist relativ zu der stationären Versorgungseinheit 2 längs eines Verfahrwegs, der durch den Verlauf, also die Erstreckungsrichtung, des Primärleiters 4 vorgegeben ist, verfahrbar. Die Richtung des Verfahrwegs ist durch einen Pfeil 24 angedeutet.
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Die stationäre Versorgungseinheit 2 weist nicht weiter dargestellte Mittel zur Einspeisung eines Wechselstroms mit vorgegebener Frequenz von 25 kHz und vorgegebener Amplitude mit einer Stromstärke von 60A in den Primärleiter 4 auf.
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Die beweglichen Einheiten 3 sind jeweils über ein Koppelmittel 7 induktiv mit dem Primärleiter 4 zur Entnahme von elektrischer Energie aus dem Primärleiter 4 gekoppelt.
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Jede bewegliche Einheit 3 weist wenigstens einen nicht weiter dargestellten elektrischen Verbraucher auf, beispielsweise einen Antrieb zum Verfahren der beweglichen Einheit 3 und/oder einen weiteren elektrischen Verbraucher.
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Zur Versorgung dieser elektrischen Verbraucher sind diese elektrisch an das Koppelmittel 7 angeschlossen.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Primärleiter 4. Die Erstreckungsrichtung des Primärleiters 4 zeigt aus der Zeichenebene heraus.
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Der Primärleiter 4 ist an seinem Umfang 23 von einer elektromagnetischen Schirmung 8 umgeben, durch welche der Primärleiter 4 nach außen elektromagnetisch geschirmt ist.
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Die elektromagnetische Schirmung 8 weist einen flexiblen Bereich 9 auf, der aus zwei Bürstenleisten 10 gebildet ist. Die Bürstenleisten 10 erstrecken sich längs des Verfahrwegs.
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Die Bürstenleisten 10 sind dabei so angeordnet, dass die Borsten 11 der Bürstenleisten 10 mit ihren freien Enden aufeinander zu weisen und zwischen sich einen Schlitz 12 bilden. Somit erstreckt sich der Schlitz 12 ebenfalls längs des Verfahrwegs.
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Die durch die Borstenenden 13 der Borsten 11 beschriebene Linie begrenzt somit jeweils eine der beiden Längsseiten des Schlitzes 12, begrenzt, der sich längs des Verfahrwegs erstreckt.
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Die freien Borstenenden 13 der beiden Bürstenleisten 10 überlappen sich, wodurch der Schlitz 12 verschlossen ist.
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Die Borsten 11 sind aus einem elastischen Kunststoff gefertigt und sind mit einer metallischen Oberfläche versehen.
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Die Bürstenleisten 10 sind an den Schenkelenden 19 des U-förmigen Profils des Trägerelements 14 ausgebildet.
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Die Borsten 11 sind an den Schenkelenden 19 elektrisch mit dem aus einem metallischen Material gefertigten U-förmigen Trägerelement 14 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement 14 ein Aluminium-Profil.
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Das Trägerelement 14 bildet durch seine U-Form eine Aufnahme 18 für das Koppelmittel 7. In dieser Aufnahme 18 ist der Primärleiter 4 angeordnet.
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Da die Borsten 11 der einen Bürstenleiste 10 an den Borstenenden 13 die Borsten 11 der anderen Bürstenleiste 10 berühren und die Borsten 11 mit dem Trägerelement 14 elektrisch verbunden sind, ist um den Primärleiter 4 ein Faradayscher Käfig gebildet, durch welchen der Primärleiter 4 nach außen geschirmt ist. Die Bürstenleisten 10 veschließen somit diesen Faradayschen Käfig. Der Faradaysche Käfig ist so dimensioniert, dass die elektrische Abstrahlung vom Primärleiter 4, die von dem eingeprägten Wechselstrom herrührt, im Wesentlichen nicht durch den Faradayschen Käfig nach draußen gelangen kann. Die Stärke der Abstrahlung liegt also außerhalb des Faradayschen Käfigs unterhalb eines Schwellwerts, der beispielsweise durch gesetzliche Vorschriften gegeben sein kann.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung das Koppelmittel 7 in Gebrauchslage.
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Das Koppelmittel 7 ist von oben in diese Gebrauchslage einschwenkbar und aus dieser nach oben herausschwenkbar.
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In dieser Gebrauchslage durchgreift das Koppelmittel 7 den flexiblen Bereich 9 in einem Teilbereich 17, der in der Zeichenebene liegt.
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Hierzu werden die Borsten 11 durch das Koppelmittel 7 nach außen aufgebogen.
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Das Koppelmittel 7 weist einen ferromagnetischen Kern 15 auf, der eine als Sekundärwicklung ausgeführte Sekundärinduktivität 16 trägt. Die Sekundärinduktivität 16 ist zur Versorgung mit elektrischer Energie an die elektrischen Verbraucher der beweglichen Einheit 3 elektrisch angeschlossen. Hierzu ist die Sekundärinduktivität 16 seriell und/oder in Reihe kapazitiv zu einem Resonanzschwingkreis ergänzt ist, wobei die Resonanzfrequenz des Resonanzschwingkreises auf die Frequenz des mit der stationären Versorgungseinheit 2 in den Primärleiter 4 eingespeisten Wechselstroms abgestimmt ist
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Die aufgebogenen Borsten 11 passen sich in dem Teilbereich 17 des flexiblen Bereichs 9 an das Koppelmittel 7 derart an, dass der Primärleiter 4 auch in dem Teilbereich 17 durch die Schirmung 8 nach außen geschirmt ist.
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Die Borsten 11 behindern die Beweglichkeit der beweglichen Einheit 3 im Wesentlichen nicht, sodass das Koppelmittel 7 in Gebrauchslage mit der beweglichen Einheit 3 längs des Abschnitts des Verfahrwegs, also längs des Primärleiters, verfahrbar ist. Hierbei wird das Koppelmittel 7 in dem Schlitz 12 verfahren.
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Der ferromagnetische Kern 15 weist eine nach einer Seite offene Ausnehmung 20 auf, durch die der ferromagnetische Kern 15 U-förmig ausgebildet ist. Der ferromagnetische Kern 15 umgreift somit den Hinleiter 5 des Primärleiters an dessen Umfang 23 teilweise, nämlich bis auf da in 2 unten liegende Segment. Hierdurch ist der in der Zeichenebene liegende Primärleiterabschnitt des Hinleiters 5 in der Ausnehmung 20 angeordnet.
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Der Rückleiter 6 des Primärleiters 4 ist durch das elektrisch leitfähige Trägerelement 14 gebildet.
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Der Hinleiter 5 ist auf einem Streifen 21 aus ferromagnetischem Material, der von dem Boden 22 der Aufnahme 18 abragt, an dessen freiem Ende angeordnet. Durch den Streifen 21, der sich zudem über die Länge des Verfahrwegs erstreckt, wird der magnetische Kreis des ferromagnetischen Kerns 15 an jeder Position der beweglichen Einheit 3 längs des Verfahrwegs geschlossen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind Hinleiter
5 und der Rückleiter
6 parallel innerhalb eines Trägerelements
14 geführt. Die Anordnung von Hinleiter
5 und Rückleiter
6 relativ zu dem ferromagnetischen Kern
15 ist beispielsweise - mit einem U-förmigen Kern
15 - wie in der
DE 103 44 144 A1 in
1 oder - mit einem E-förmigen ferromagnetischen Kern
15 - wie in der
DE 10 2004 049 982 A1 in
1 gezeigt ausgeführt. Auch weitere Anordnungen können mit Vorteil eingesetzt werden.
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Bei Verwendung eines E-förmigen Kerns weist dieser eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung auf, die wie die Ausnehmung 20 des ferromagnetischen Kerns 15 nach einer Seite offen sind, wobei durch die Anordnung der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung eine E-Form des ferromagnetischen Kerns gebildet ist. In diesem Fall ist der Hinleiter 5 des Primärleiters 4 in der ersten Ausnehmung abschnittsweise angeordnet, während der Rückleiter 6 des Primärleiters 4 in der zweiten Ausnehmung abschnittsweise angeordnet ist, wobei die Schenkel der E-Form des ferromagnetischen Kerns den Hinleiter bzw. Rückleiter an dessen Umfang 23 in einem Primärleiterabschnitt teilweise umgreifen.
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Bei der Vorrichtung zur berührungslosen Energieübertragung 1 ist vorgesehen, dass der Primärleiter 4 in einer kanalförmigen Aufnahme 18 eines als elektromagnetische Schirmung 8 wirkenden Trägerelements 14 angeordnet ist und dass die Aufnahme 18 durch einen flexiblen Bereich 9 der elektromagnetischen Schirmung 8 zur Bildung eines Faradayschen Käfigs verschlossen ist, durch welche ein Koppelmittel 7 zur induktiven Kopplung einer beweglichen Einheit 3 an den Primärleiter 4 greift, wobei die beweglich Einheit 3 entlang eines Verfahrwegs 24 verfahrbar ist.
