DE102010006524A1

DE102010006524A1 - Induktives Energieübertragungssystem mit auf die Frequenz einer Oberschwingung der Grundfrequenz fo abgestimmten Übertragerschwingkreisen

Info

Publication number: DE102010006524A1
Application number: DE201010006524
Authority: DE
Inventors: Faical 44319 Turki
Original assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Vahle GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kontaktloses System zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärenergiequelle hin zu mindestens einer Sekundärlast, enthaltend:
– einen mit der Primärenergiequelle verbindbaren oder verbundenen Primärenergiewandler, der einen Primärresonanzkreis mit Primärinduktionsschleife mit einer periodischen Spannung oder einem periodischen Strom mit einer Grundfrequenz f₀ speist, und
– mindestens einen Sekundärschwingkreis, der induktiv mit der Primärinduktionsschleife gekoppelt ist und die Sekundärlast versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärinduktionskreis mit Primärinduktionsschleife sowie der Sekundärschwingkreis auf die Frequenz f_OB einer harmonischen Oberschwingung der Grundfrequenz f₀ abgestimmt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktloses System zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärenergiequelle hin zu mindestens einer Sekundärlast, enthaltend einen mit der Primärenergiequelle verbindbaren oder verbundenen Primärenergiewandler, der einen Primärresonanzkreis mit Primärinduktionsschleife mit einer Wechselspannung oder einem Wechselstrom mit einer Grundfrequenz f₀ speist, und mindestens einen Sekundärschwingkreis, der induktiv mit der Primärinduktionsschleife gekoppelt ist.
Ein berührungsloses Energieübertragungssystem zur Versorgung mehrerer Leistungsabnehmer ist beispielsweise in der DE 698 36 468 T2 beschrieben. In diesem Dokument wird ausführlich auf die historische Entwicklung der kontaktlosen Energieübertragung beschrieben.
Bei einigen Systemen wird der Strom in dem Primärleiter durch eine passive Verschaltung konstant gehalten. Dabei sind die passiven Komponenten der Primärseite als auch die der Sekundärseite auf die Frequenz f₀ der primärseitig eingespeisten Wechselspannung oder des eingeprägten Wechselstroms bzw. auf die Frequenz f₀ mit der der angeschlossene Wechselrichter getaktet ist, abgestimmt.
Die vom Wechselrichter erzeugte getaktete Rechtseckspannung setzt sich nach Fourier aus einer Grundfrequenz sowie mehreren harmonischen Oberschwingungen zusammen. Die Oberschwingungen haben dabei eine niedrigere Amplitude als die Grundfrequenz f₀.
Bei den bekannten induktiven Energieübertragungssystemen wird lediglich die Energie der Grundfrequenz f₀ als Energieträger genutzt. Die Energie der Oberschwingungen bleibt dagegen ungenutzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, welches im Vergleich zu konventionellen induktiven Energieübertragungssystemen die Übertragung einer höheren elektrischen Leistung bei gleicher magnetischer Flussdichte bzw. die Übertragung einer gleichen Leistung mit einer kleineren magnetischen Flussdichte ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei dem der Primärinduktionskreis mit Primärinduktionsschleife sowie der Sekundärschwingkreis auf die Frequenz einer harmonischen Oberschwingung der Grundfrequenz f₀ abgestimmt sind.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zu eigen, dass auch die Oberschwingungen zur Energieübertragung genutzt werden können. So haben die Oberschwingungen zwar eine geringere Amplitude als die Grundfrequenz f₀, bedingt durch die höhere Frequenz kann bei gleicher magnetischer Flussdichte jedoch einer höhere Leistung erzielt werden bzw. die gleiche elektrische Leistung mit einem kleineren magnetischen Feld übertragen werden.
Die Frequenzselektion wird dabei durch Abstimmung der passiven Komponenten der Primär- und Sekundärseite auf die Frequenz der gewählten Oberschwingung vorgenommen. Dazu sind die Bauteile im Primär- und Sekundärkreis so zu wählen, dass deren Resonanzfrequenz der Frequenz der harmonischen Oberschwingung entspricht.
Die steuerbaren Halbleiterschalter des primärseitig verwendeten Wechselrichters müssen lediglich für die Erzeugung der Grundfrequenz f₀ ausgelegt sein. Durch die Abstimmung des primärseitigen Schwingkreises auf die Frequenz einer harmonischen Oberschwingung, welcher von dem Wechselrichter gespeist wird, wird die Übertragungsstrecke mit der Frequenz der Oberschwingung betrieben. Das magnetische Wechselfeld hat somit eine Frequenz f_OB, welche dem Vielfachen der Grundfrequenz f₀ entspricht. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt somit u. a. darin, dass eine Feldfrequenz erzeugt wird, die mit herkömmlichen steuerbaren Halbleiterschaltern nicht erreichbar sind.
Als Grundfrequenzen werden heute meist Frequenzen f₀ von 10 bis 25 kHz verwendet. Um höhere Grundfrequenzen zu erzielen müssten sehr aufwendige und teure Leistungshalbleiter für den Wechselrichter verwendet werden, sofern diese überhaupt verfügbar wären. Bei dem Erfindungsgemäßen System, welches ein wesentlich höherfrequentes Magnetfeld zur Energieübertragung nutzt, müssen von den benötigten Halbleitern lediglich Gleichrichterdioden im Sekundärkreis für die Übertragungsfrequenz f_OB ausgelegt sein. Diese sind jedoch für die verwendeten Frequenzen erhältlich.
Die Verwendung einer höheren Frequenz hat den Vorteil, dass für die gleiche benötigte Leistung wesentlich kleinere Induktivitäten benötigt werden und somit auch die Abmessungen der benötigten Bauteile kleiner ausgebildet sein können bzw. sind.
Nachfolgend wir anhand von Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1: Verhältnis der auf die Grundfrequenz normierten Amplituden der Oberschwingungen bzw. der sich aus der Furier-Zerlegung ergebenen Teil- bzw. Oberschwingungen;
2: Resonanzkreise des Primär- und Sekundärteils des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems.
Im Falle einer gleichmäßigen Rechteckspannung mit f₁ = ω₁/2π sind die Amplituden der geradzahligen Oberschwingungen mit den Frequenzen 2·ω₁, 4·ω₁, 6·ω₁, usw. der Fourier-Reihe gleich Null. Die Amplituden der ungeradzahligen Oberschwingungen mit den Frequenzen 3·ω₁, 5·ω₁, 7·ω₁, usw. betragen u₁₃ = u₁·1/3, u₁₅ = u₁·1/5, u₁₇ = u₁·1/7, usw.. Die 1 zeigt die Amplituden normiert auf die Amplitude der Grundschwingung u₁.
Diese Grundschwingung u₁ hat dabei die gleiche Frequenz f₁ wie die Rechteckspannung. Für das Verhältnis der Frequenzen der Grund- und Teilschwingungen gilt: f₁ = f₃/3 = f₅/5 = f₇/7 usw.
Die 2 zeigt ein Schaltbild, welches den einspeisenden Wechselrichter W sowie den Primärteil P und den Sekundärteil S des Systems. Die Frequenz f₀ des Wechselrichters W entspricht der Frequenz f₁ der Grundschwingung der Furier-Reihe. Die Ordnung der gewählten Teilschwingung bzw. Oberschwingung bestimmt somit die Frequenz des übertragenden magnetischen Feldes und somit auch die Eigenschaften der Übertragungsglieder. Je höher die gewählte Übertragungsfrequenz ist, desto kleiner wird die benötigte Schwingkreisinduktivität. Damit reduziert sich die benötigte Windungszahl bzw. Durchflussfläche der Wicklung. Aus diesem Grund ist die maximale Oberschwingungsfrequenz durch die Geometrie des Anwendungsfalles begrenzt bzw. vorgegeben.
Für eine Beispielrechnung wird folgendes angenommen: Bei einer Grundfrequenz f₀ von 20 kHz können 5 kW über eine Fläche von 0,5 × 0,5 m und 100 mm Abstand zwischen Primärschleife und Pickup-Spule übertragen werden. Sofern z. B. eine Übertragungsfrequenz f_OB von 100 kHz gewählt würde, könnten theoretisch 25 kW übertragen werden.
Hierzu müsste die Kompensation der Spule bei den gleichen geometrischen Gegebenheiten an sehr vielen Punkten vorgenommen werden, da ansonsten die Blindspannung extrem hoch werden würde. Dies führt dazu, dass die Windungszahl kleiner gehalten werden muss und damit nur eine kleinere Übertragungsleistung, z. B. 15 kW, bei dem selben Strom erzielbar ist. Um eine Übertragungsleistung von 25 kW zu erzielen, müsste zudem der Querschnitt der Wicklung erhöht werden, damit ein größerer Strom fließen kann. Dies würde jedoch bedeuten, dass auch die Kompensationskondensatoren für den hohen Strom ausgelegt sein müssten. Dies bedingt jedoch größere Kondensatoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69836468 T2 [0002]

Claims

Kontaktloses System zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer Primärenergiequelle hin zu mindestens einer Sekundärlast, enthaltend: – einen mit der Primärenergiequelle verbindbaren oder verbundenen Primärenergiewandler, der einen Primärresonanzkreis mit Primärinduktionsschleife mit einer periodischen Spannung oder einem periodischen Strom mit einer Grundfrequenz f₀ speist, und – mindestens einen Sekundärschwingkreis, der induktiv mit der Primärinduktionsschleife gekoppelt ist und die Sekundärlast versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärinduktionskreis mit Primärinduktionsschleife sowie der Sekundärschwingkreis auf die Frequenz f_OB einer harmonischen Oberschwingung der Grundfrequenz f₀ abgestimmt sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärinduktionskreis mit Primärinduktionsschleife sowie der Sekundärschwingkreis auf die Frequenz f_OB der dritten, fünften oder siebten Oberschwingung der Grundfrequenz f₀ abgestimmt sind.