DE102012111569A1 - Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Energieübertragung und Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung - Google Patents

Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Energieübertragung und Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung Download PDF

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DE102012111569A1
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Paul Frohn
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Balluff GmbH
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Balluff GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/40Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices

Abstract

Es wird ein Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Energieübertragung vorgeschlagen, welches eine Sendeseite und eine Empfangsseite umfasst, wobei die Sendeseite mindestens einen Leistungsoszillator umfasst, welcher bezüglich seiner Frequenz frei schwingt, und wobei die Empfangsseite mindestens eine Schwingkreiseinrichtung und eine Gleichrichtereinrichtung umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend eine Sendeseite und eine Empfangsseite.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung.
  • Aus der DE 10 2010 001 484 A1 ist eine Übertragungsvorrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Energie und Daten bekannt, umfassend eine Energiespuleneinrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung mittels eines elektromagnetischen Energiefelds und eine Datenspuleneinrichtung mit mindestens einer Datenspule zur kontaktlosen Energieübertragung.
  • Aus der EP 0 982 831 ist eine Ladevorrichtung für Akkumulatoren in einem mobilen elektrischen Gerät mit induktiver Energieübertragung bekannt.
  • Aus der EP 0 160 990 A2 ist eine induktive Energie- und Datenübertragung bekannt, bei der eine dreiphasige Versorgungsspannung nach Gleichrichtung über eine Wechselrichtung und einen Übertrager zur Stützung einer Batterie und Schaltsignale in beiden Übertragungsrichtungen auf das anschließende Rohrstück übertragen werden, mit einem Netzgerät auf der Sekundärseite des Übertragers. Als Übertrager ist jeder Rohrkopf ausgebildet, in dem eine Spule eingelassen ist und als Übertragungskern dient das Rohr selbst. In einem Netzgerät erfolgt eine Gleichrichtung der übertragenen Wechselspannung, eine Umformung auf die Batteriespannung und eine Übertragung von logischen Signalen.
  • Aus der EP 0 530 542 A1 ist eine Schaltungsanordnung für eine induktive Energieübertragung bekannt.
  • Aus der EP 1 693 863 A1 ist ein Bekleidungsstück mit induktiver Energieübertragung sowie induktiver Verbindung bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieübertragungssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich gute Übertragungsleistungen über einen Variationsbereich von Einspeisespannungen und/oder eines Luftspalts und/oder einer relativen Positionierung von Sendeseite und Empfangsseite erhalten lassen.
  • Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Energieübertragungssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sendeseite mindestens einen Leistungsoszillator umfasst, welcher bezüglich seiner Frequenz frei schwingt, und die Empfangsseite mindestens eine Schwingkreiseinrichtung und eine Gleichrichtereinrichtung umfasst.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auf einfache Weise eine Kompensation von Streuinduktivitäten erreichen. Dadurch ergibt sich eine effektive induktive Energieübertragung.
  • Weiterhin lassen sich Spulen des Energieübertragungssystems mit Standard-Ferritkern und insbesondere Ferrit-Schalenkernen verwenden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung schwingt der Leistungsoszillator bezüglich seiner Frequenz frei, das heißt seine Frequenz ist nicht fest vorgegeben beispielsweise durch einen Verstärker. Es lässt sich dadurch ein selbstabstimmendes beziehungsweise nachjustierendes System realisieren, welche in weiten Luftspaltbereichen optimal arbeitet.
  • Insbesondere umfasst der mindestens eine Leistungsoszillator eine erste Schwingkreiseinrichtung mit einer ersten Spuleneinrichtung und einer ersten Kondensatoreinrichtung. Dadurch lässt sich die Sendeseite auf einfache Weise gestalten.
  • Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die erste Spuleneinrichtung mindestens eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist die erste Schwingkreiseinrichtung eine Mitteleinspeisung auf. Dadurch lässt sich effektiv Leistung einkoppeln und auskoppeln.
  • Es ist konstruktiv günstig, wenn die erste Spuleneinrichtung und die erste Kondensatoreinrichtung parallel angeordnet sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein Leistungsoszillator realisieren.
  • Beispielsweise ist der mindestens eine Leistungsoszillator als Gegentaktoszillator ausgebildet. Dadurch lässt sich beispielsweise auf einfache Weise ein Einfluss der Ansteuerung des Oszillators auf eine Schwingungsfrequenz des Oszillators minimieren.
  • Zwischen der Sendeseite und der Empfangsseite liegt ein Luftspalt vor, welcher insbesondere eine Breite im Bereich zwischen 1 mm und 15 mm aufweist. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich über diesen Luftspalt in einem großen Variationsbereich der Breite effektiv induktiv Energie übertragen.
  • Es kann dabei grundsätzlich vorgesehen sein, dass der Luftspalt eine variable Breite hat und/oder dass ein Winkel zwischen der Sendeseite und der Empfangsseite variabel ist. Durch das erfindungsgemäße System lässt sich eine Nachregelung beziehungsweise Nachjustierung auf einfache Weise erreichen.
  • Es ist ferner günstig, wenn die mindestens eine Schwingkreiseinrichtung der Empfangsseite und eine zweite Schwingkreiseinrichtung mit einer zweiten Spuleneinrichtung und einer zweiten Kondensatoreinrichtung ist. Dadurch lässt sich die Empfangsseite auf konstruktiv einfache Weise realisieren.
  • Es ist dann ebenfalls günstig, wenn die zweite Spuleneinrichtung und die zweite Kondensatoreinrichtung parallel angeordnet sind, so dass ein Parallelschwingkreis realisiert ist.
  • Weiterhin ist es günstig, wenn die zweite Spuleneinrichtung mindestens eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, wobei insbesondere eine Mittelanzapfung für einen Verbraucher vorgesehen ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise die kontaktlos übertragene Energie durch den Verbraucher nutzen.
  • Insbesondere ist die Gleichrichtereinrichtung parallel zu der zweiten Spuleneinrichtung angeordnet. Dadurch lässt sich einem Verbraucher effektiv eine gleichgerichtete Spannung bereitstellen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Gleichrichtereinrichtung einen ersten Gleichrichter, welcher der ersten Spule zugeordnet ist, und einen zweiten Gleichrichter, welcher der zweiten Spule zugeordnet ist, wobei insbesondere der erste Gleichrichter und der zweite Gleichrichter außerhalb einer Mittelanzapfung angeordnet sind. Dadurch ergibt sich auf einfache Weise eine effektive Gleichrichtung zur effektiven Nutzung der induktiv übertragenen Energie.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangsseite mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf. Dieser Kondensator ist beispielsweise als Prellkondensator oder dergleichen realisiert. Es lässt sich dadurch eine stabile Gleichspannung an der Empfangsseite für einen Verbraucher bereitstellen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Frequenz des mindestens einen Leistungsoszillators durch eine Resonanzfrequenz des Energieübertragungssystems vorgegeben ist und insbesondere das Energieübertragungssystem in Resonanz oder in der Nähe der Resonanz betrieben ist. Ferner ist dann der Leistungsoszillator und auch die Empfangsseite in Resonanz betrieben. Dadurch lassen sich Blindwiderstände minimieren und es lassen sich Streuverluste von Induktivitäten auf der Sendeseite und der Empfangsseite kompensieren. Dadurch wiederum ergibt sich eine effektive induktive Energieübertragung.
  • Insbesondere ist eine Anpassbarkeit eine variable Breite und/oder an einen Winkel eines Luftspalts zwischen der Sendeseite und der Empfangsseite vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich diese variable Anpassbarkeit auf einfache Weise erreichen, da über den freischwingenden Leistungsoszillator eine eigensichere und eigenstabile Sendeseite bereitgestellt ist.
  • Insbesondere ist eine Kombination von Streufeldverlusten von Sendeseite und Empfangsseite vorgesehen. Dies ist dadurch erreicht, wenn das Energieübertragungssystem als Ganzes in Resonanz oder in der Nähe der Resonanz betrieben ist und dabei die Sendeseite und die Empfangsseite auf dieser Resonanz liegen. Die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems wiederum ist durch den Luftspalt (insbesondere durch dessen Breite und durch den Winkel) bestimmt, das heißt durch die relative Anordnung von Sendeseite und Empfangsseite zueinander bestimmt. Bei dem freischwingenden Oszillator ist eine Anpassung auf einfache Weise möglich.
  • Insbesondere sind Sendeseite und Empfangsseite aufeinander abgestimmt, um eine effektive induktive Energieübertragung zu erhalten.
  • Günstig ist es, wenn die Sendeseite und/oder die Empfangsseite eine oder mehrere Spulen aufweisen, welche Ferritkerne haben und insbesondere Ferrit-Schalenkerne haben. Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich konventionelle Ferritkerne verwenden und es ist keine spezielle Ausbildung für das Spulensystem des Energieübertragungssystems notwendig.
  • Es kann vorgesehen sein, dass an der Empfangsseite ein Spannungsregler angeordnet ist, um eine effektive Energiebereitstellung zu ermöglichen.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass an einer Sendeseite ein bezüglich einer Frequenz freischwingender Leistungsoszillator Energie über einen Luftspalt an eine Empfangsseite abgibt, wobei der Leistungsoszillator an oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz schwingt, welche eine Resonanzfrequenz des Gesamtsystems aus Sendeseite und Empfangsseite ist.
  • Es lässt sich dadurch bei einer Art von Resonanztransformator eine effektive induktive Energieübertragung mit minimalen Verlusten zwischen Sendeseite und Empfangsseite realisieren.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energieübertragungssystem erläutert.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems; und
  • 2 eine Ersatzschaltbilddarstellung des Energieübertragungssystems gemäß 1.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Energieübertragungssystems, welches in 1 in einer Schaltbilddarstellung schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, weist eine Sendeseite 12 und eine Empfangsseite 14 auf. Die Sendeseite 12 stellt die elektromagnetische Energie bereit, welche von der Empfangsseite 14 empfangen und zu einer "nutzbaren Energieform" weiterverarbeitet wird. An der Empfangsseite 14 ist ein Verbraucher 16 angeordnet, welcher durch die übertragene Energie betrieben ist. Der Verbraucher 16 umfasst beispielsweise einen oder mehrere Sensoren, einen oder mehrere Aktoren, ein oder mehrere Messgeräte, ein oder mehrere Anzeigegeräte, ein oder mehrere Eingabe-Ausgabe-Geräte usw.
  • Zwischen der Sendeseite 12 und der Empfangsseite 14 liegt ein Luftspalt 18. Durch den Luftspalt 18 hindurch wird von der Sendeseite 12 zu der Empfangsseite 14 kontaktlos (nutzbare) Energie übertragen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Luftspalt 18 eine Breite B, welche beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 15 mm liegt.
  • Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Luftspalt 18 in seiner Breite B fest ist oder variabel ist.
  • Die Sendeseite 12 weist einen Leistungsoszillator 20 auf. Der Leistungsoszillator 20 stellt die durch den Verbraucher 16 nutzbare Energie bereit. Er ist dementsprechend mit seiner Leistung dimensioniert.
  • Der Leistungsoszillator 20 ist freischwingend, das heißt er schwingt nicht auf einer (beispielsweise durch einen Verstärker) fest vorgegebenen Frequenz.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Leistungsoszillator 20 eine erste Schwingkreiseinrichtung 22 mit einer ersten Spuleneinrichtung 24 und einer ersten Kondensatoreinrichtung 26. Die erste Spuleneinrichtung 24 und die erste Kondensatoreinrichtung 26 sind parallel zueinander angeordnet. Dementsprechend ist die erste Schwingkreiseinrichtung 22 ein Parallelschwingkreis.
  • Die erste Spuleneinrichtung 24 umfasst eine erste Spule 28 und eine zweite Spule 30. Die erste Spule 28 und die zweite Spule 30 sind in Serie angeordnet. Zu dieser Reihenschaltung der Spulen 28 und 30 ist die erste Kondensatoreinrichtung 26, welche beispielsweise einen Kondensator 32 aufweist, parallel geschaltet.
  • Die Sendeseite 12 weist eine primäre Energiequelle 34 auf. Diese primäre Energiequelle ist beispielsweise eine Gleichstromquelle.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist für die erste Schwingkreiseinrichtung 22 eine Mitteleinspeisung 36 vorgesehen. Bei dieser Mitteleinspeisung ist ein Plusausgang 38 der primären Energiequelle 34 angeschlossen an eine Leitung 40 zwischen der ersten Spule 28 und der zweiten Spule 30. An dieser Leitung 40 liegt das entsprechende Potential des Ausgangs 38 an.
  • Ein Minus-Ausgang 42 der primären Energiequelle 34 ist an ein entsprechendes Massenpotential beispielsweise der ersten Spule 28 angeschlossen.
  • Der Leistungsoszillator 20 ist bei einem Ausführungsbeispiel als Gegentaktoszillator 44 ausgebildet. Es sind entsprechend angesteuerte Schalter 46a, 46b vorgesehen. (Die Ansteuerung ist in 1 nicht gezeigt.) Ein erster Schalter 46a liegt in einer Leitung zwischen dem Ausgang 42 und der ersten Spule 28. Ein zweiter Schalter 46b liegt an der Leitung zwischen dem Ausgang 42 und der zweiten Spule 30. Die Schalter 46a, 46b sind durch eine entsprechende Ansteuerung so betrieben, dass abwechselnd Strom geleitet wird in einem ersten Zweig 48a und in einem zweiten Zweig 48b.
  • Der Gegentaktoszillator 44 ist so ausgebildet, dass die Schaltung einen minimalen Einfluss auf die Frequenz des Leistungsoszillators 20 hat.
  • Die Empfangsseite 14 weist eine zweite Schwingkreiseinrichtung 50 auf. Diese zweite Schwingkreiseinrichtung 50 hat eine zweite Spuleneinrichtung 52 und eine zweite Kondensatoreinrichtung 54.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Spuleneinrichtung 52 parallel zur zweiten Kondensatoreinrichtung 54 angeordnet. Die zweite Schwingkreiseinrichtung 50 ist dadurch ein Parallelschwingkreis.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Spuleneinrichtung 52 eine erste Spule 56 und eine zweite Spule 58. Diese sind in Reihe geschaltet mit einer dazwischenliegenden Leitung 60. Ein Kondensator 62 der zweiten Kondensatoreinrichtung 54 ist parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet.
  • Der zweiten Spuleneinrichtung 52 ist eine Mittelanzapfung 64 zugeordnet. Von der Leitung 60 führt auf dem gleichen Potential eine Leitung 66 zu einem Spannungsregler 68. Weiterhin führt von der anderen Seite (bezogen auf die Mittelanzapfung 64) der zweiten Spule 58 eine Leitung 70 zu dem Spannungsregler 68.
  • Von der ersten Spule 56 führt von der anderen Seite (bezogen auf die Mittelanzapfung 64) eine Leitung 72 in die Leitung 70.
  • Die Empfangsseite 14 weist eine Gleichrichtereinrichtung 74 auf. Diese Gleichrichtereinrichtung 74 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel einen ersten Gleichrichter 76a und einen zweiten Gleichrichter 76b. Der erste Gleichrichter 76a ist an der Leitung 72 angeordnet. Der zweite Gleichrichter 76b ist an der Leitung 70 angeordnet.
  • Dem Spannungsregler 68 wird dadurch gleichgerichteter Strom bereitgestellt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass an der Empfangsseite 14 (mindestens) ein Kondensator und insbesondere Zwischenkreiskondensator 78 angeordnet ist. Dieser ist beispielsweise nachfolgend der Gleichrichtereinrichtung 74 zwischen der Leitung 70 und 72 angeordnet.
  • Der Verbraucher 16 ist an den Spannungsregler 68 angeschlossen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Energieübertragungssystem 10 kann eine Resonanzkopplung zwischen Sendeseite 10 und Empfangsseite 14 erfolgen. Es liegt ein induktives Energieübertragungssystem mit Resonanzkopplung vor.
  • In 2 ist schematisch ein Ersatzschaltbild des Energieübertragungssystems gemäß 1 gezeigt.
  • Es liegt ein Wicklungswiderstand 80 auf der Sendeseite für die erste Spuleneinrichtung 24 und weitere Induktivitäten an der Sendeseite 12 vor. Die Empfangsseite 14 hat einen entsprechenden Wicklungswiderstand 82.
  • Die Spulen 28, 30 des ersten Schwingkreiseinrichtung 22 und die Spulen 56, 28 der zweiten Schwingkreiseinrichtung 50 weisen einen Kern und insbesondere Ferritkern beispielsweise in Form eines Schalenkerns auf. Dementsprechend weist im Ersatzschaltbild das Gesamtsystem einen Widerstand 84 auf, welcher Kernverluste charakterisiert. Dieser Kernverlustwiderstand 84 ist zu den Wicklungswiderständen 80, 82, welche in Serie geschaltet sind, parallel geschaltet.
  • Ferner weist die erste Schwingkreiseinrichtung 22 an der Sendeseite 12 eine Streuinduktivität 86 auf. Dementsprechend ist an der Empfangsseite eine Streuinduktivität 88 vorhanden. Die Streuinduktivitäten 86, 88 sind in Reihe zueinander und in Reihe zu den Wicklungswiderständen 80, 82 angeordnet.
  • Das Gesamtsystem weist eine Hauptinduktivität 90 auf, welche parallel zu dem Kernverlustwiderstand 84 ist und zu den Wicklungswiderständen 80, 82 und den Streuinduktivitäten 86, 88.
  • Weiterhin weist die Sendeseite 12 eine effektive Resonanzkapazität 92 und die Empfangsseite 14 eine entsprechende Resonanzkapazität 94 auf.
  • Dieses Gesamtsystem mit dem Ersatzschaltbild gemäß 2 weist eine Resonanzfrequenz auf. Grundsätzlich können sich dabei die Induktivitäten 86, 88, 90 je nach Position und Abstand zwischen Sendeseite 12 und Empfangsseite 14 verändern, das heißt sie sind von dem Luftspalt 18 abhängig. Dadurch verändert sich die Resonanzfrequenz des Energieübertragungssystems 10 als Ganzes.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Leistungsoszillator 20 freischwingend. Das Gesamtsystem (vgl. das Ersatzschaltbild gemäß 2) ist die frequenzbestimmende Komponente.
  • Beispielsweise sind für die primäre Energiequelle 34 Speisespannungen im Bereich zwischen 10 V und 350 V vorgesehen. Je nach Auslegung von Spulenkernen (insbesondere Ferritkerne wie beispielsweise Ferrit-Schalenkerne) und Spulenauslegungen ist eine Leistungsübertragung im Bereich von 1 W bis 200 W vorgesehen. Die Schwingfrequenz des Leistungsoszillators 20 wird durch die Resonanzfrequenz des gesamten Energieübertragungssystems eingeprägt. Es ist vorgesehen, dass das Gesamtsystem und damit der Leistungsoszillator 20 an der Resonanz oder in der Nähe der Resonanz arbeitet. Es sind dann Blindkomponenten vollständig kompensiert. Beispielsweise ist eine Variation der Frequenz zwischen 100 kHz und 150 kHz möglich.
  • Wenn das Gesamtsystem an oder nahe an der Resonanz schwingt und damit auch an oder nahe der Resonanz der einzelnen resonanten Systeme, nämlich der Sendeseite 12 und der Empfangsseite 14 schwingt, dann lassen sich die Streuinduktivitäten 86, 88 kompensieren und man erhält eine effektive induktive Energieübertragung. Es ist dadurch eine Art von Resonanztransformator bereitgestellt.
  • Die erste Schwingkreiseinrichtung 22 und die zweite Schwingkreiseinrichtung 50 sind in Resonanz rein ohmsch, so dass dann nur noch ein Wicklungswiderstand als Innenwiderstand der entsprechenden induktiven Spannungsquelle wirkt. Je weiter die Entfernung von der Resonanzfrequenz der entsprechenden Schwingkreiseinrichtung ist, umso größer ist die induktive Impedanz, die sich in einer Reihenschaltung zum ohmschen Widerstand befindet; dies sorgt für eine Vergrößerung der Dämpfung der Energieübertragung. Auf der Sendeseite 12 erhöht sich die Einspeiseimpedanz und auf der Empfangsseite 14 die Quellimpedanz.
  • Wenn das induktive Energieübertragungssystem 10 auf der Resonanzfrequenz betrieben wird, wobei der Leistungsoszillator 20 freischwingend ist, dann ergibt sich eine effektive Übertragbarkeit.
  • Durch das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem lassen sich elektromagnetische Leistungen mit einem freischwingenden, eigenresonanten System übertragen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind dabei Parallelschwingkreise 22 und 50 vorgesehen. Die Übertragungselektronik lässt sich einfach gestalten und es lassen sich insbesondere Standard-Ferritkerne für die Spulen verwenden.
  • Umfangreiche Sicherungs- und Regelungseinrichtungen sind nicht notwendig.
  • Es ergibt sich eine größere Variabilität für den Luftspalt 18, das heißt für die relative Positionierung zwischen der Sendeseite 12 und der Empfangsseite 14. Es muss dabei nicht unbedingt eine parallele Ausrichtung vorhanden sein. Neben einer größeren Variabilität bezüglich der Breite B ergibt sich auch eine gewisse Winkelvariabilität. Dadurch wiederum ist beispielsweise ein Einbau in eine übergeordnete Vorrichtung erleichtert.
  • Das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem ist eigenstabil und organisiert und sichert sich selbst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Frequenzvariation (Frequenz-Tracking) über den Übertragungsabstand zwischen der Sendeseite 12 und der Empfangsseite 14 und deren Positionierung mit einer Selbstoptimierung beziehungsweise Selbstabstimmung.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, dass andere Schwingkreisausbildungen verwendet werden. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Leistungsoszillator 20 ein Gegentaktoszillator 44 mit einem Parallelschwingkreis. Es sind auch andere Oszillatorformen wie beispielsweise Meissner-Oszillator, Hartley-Oszillator oder Colpitts-Oszillator möglich.
  • Beispielsweise ist es auch grundsätzlich möglich, anstatt eines Parallelschwingkreises einen Serienschwingkreis für den Leistungsoszillator 20 zu verwenden. In diesem Falle wird beispielsweise ein Clapp-Oszillator verwendet.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Energieübertragungssystem
    12
    Sendeseite
    14
    Empfangsseite
    16
    Verbraucher
    18
    Luftspalt
    20
    Leistungsoszillator
    22
    Erste Schwingkreiseinrichtung
    24
    Erste Spuleneinrichtung
    26
    Erste Kondensatoreinrichtung
    28
    Erste Spule
    30
    Zweite Spule
    32
    Kondensator
    34
    Primäre Energiequelle
    36
    Mitteleinspeisung
    38
    Ausgang
    40
    Leitung
    42
    Ausgang
    44
    Gegentaktoszillator
    46a
    Erster Schalter
    46b
    Zweiter Schalter
    48a
    Erster Zweig
    48b
    Zweiter Zweig
    50
    Zweite Schwingkreiseinrichtung
    52
    Zweite Spuleneinrichtung
    54
    Zweite Kondensatoreinrichtung
    56
    Erste Spule
    58
    Zweite Spule
    60
    Leitung
    62
    Kondensator
    64
    Mittelanzapfung
    66
    Leitung
    68
    Spannungsregler
    70
    Leitung
    72
    Leitung
    74
    Gleichrichtereinrichtung
    76a
    Erster Gleichrichter
    76b
    Zweiter Gleichrichter
    78
    Zwischenkreiskondensator
    80
    Wicklungswiderstand
    82
    Wicklungswiderstand
    84
    Kernverlustwiderstand
    86
    Steuerinduktivität
    88
    Steuerinduktivität
    90
    Hauptinduktivität
    92
    Resonanzkapazität
    94
    Resonanzkapazität
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010001484 A1 [0003]
    • EP 0982831 [0004]
    • EP 0160990 A2 [0005]
    • EP 0530542 A1 [0006]
    • EP 1693863 A1 [0007]

Claims (21)

  1. Energieübertragungssystem zur kontaktlosen Energieübertragung, umfassend eine Sendeseite (12) und eine Empfangsseite (14), wobei die Sendeseite (12) mindestens einen Leistungsoszillator (20) umfasst, welcher bezüglich seiner Frequenz frei schwingt, und wobei die Empfangsseite (14) mindestens eine Schwingkreiseinrichtung (50) und eine Gleichrichtereinrichtung (74) umfasst.
  2. Energieübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Leistungsoszillator (20) eine erste Schwingkreiseinrichtung (22) mit einer ersten Spuleneinrichtung (24) und einer ersten Kondensatoreinrichtung (26) umfasst.
  3. Energieübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spuleneinrichtung (24) mindestens eine erste Spule (28) und eine zweite Spule (30) umfasst.
  4. Energieübertragungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwingkreiseinrichtung (22) eine Mitteleinspeisung (36) aufweist.
  5. Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spuleneinrichtung (20) und die erste Kondensatoreinrichtung (22) parallel angeordnet sind.
  6. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Leistungsoszillator (20) als Gegentaktoszillator (44) ausgebildet ist.
  7. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sendeseite (12) und der Empfangsseite (14) ein Luftspalt (18) liegt, welcher insbesondere eine Breite (B) im Bereich zwischen 1 mm und 15 mm aufweist.
  8. Energieübertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (18) eine variable Breite (B) hat und/oder dass ein Winkel zwischen der Sendeseite (12) und der Empfangsseite (14) variabel ist.
  9. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schwingkreiseinrichtung (50) der Empfangsseite (14) eine zweite Schwingkreiseinrichtung (50) mit einer zweiten Spuleneinrichtung (52) und einer zweiten Kondensatoreinrichtung (54) ist.
  10. Energieübertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spuleneinrichtung (52) und die zweite Kondensatoreinrichtung (54) parallel angeordnet sind.
  11. Energieübertragungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spuleneinrichtung (52) mindestens eine erste Spule (56) und eine zweite Spule (58) aufweist, wobei insbesondere eine Mittelanzapfung (64) für einen Verbraucher (16) vorgesehen ist.
  12. Energieübertragungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinrichtung (74) parallel zu der zweiten Spuleneinrichtung (52) angeordnet ist.
  13. Energieübertragungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinrichtung (74) einen ersten Gleichrichter (76a) umfasst, welcher der ersten Spule (56) zugeordnet ist, und einen zweiten Gleichrichter (76b) umfasst, welcher der zweiten Spule (58) zugeordnet ist, wobei insbesondere der erste Gleichrichter (76a) und der zweite Gleichrichter (76b) außerhalb einer Mittelanzapfung (64) angeordnet sind.
  14. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsseite (14) mindestens einen Zwischenkreiskondensator (78) aufweist.
  15. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz des mindestens einen Leistungsoszillators (20) durch eine Resonanzfrequenz des Energieübertragungssystems (10) vorgegeben ist und insbesondere das Energieübertragungssystem (10) in Resonanz oder in der Nähe der Resonanz betrieben ist.
  16. Energieübertragungssystem nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Anpassbarkeit an eine variable Breite und/oder einen Winkel eines Luftspalts (18) zwischen der Sendeseite (12) und der Empfangsseite (14).
  17. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kompensation von Streufeldverlusten von Sendeseite (12) und Empfangsseite (14).
  18. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abstimmung von Sendeseite (12) und Empfangsseite (14).
  19. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeseite (12) und/oder die Empfangsseite (14) eine oder mehrere Spulen (28, 30, 56, 58) aufweisen, welche Ferritkerne haben.
  20. Energieübertragungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Empfangsseite (14) ein Spannungsregler (68) angeordnet ist.
  21. Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung, bei dem an einer Sendeseite ein bezüglich seiner Frequenz freischwingender Leistungsoszillator Energie über einen Luftspalt an eine Empfangsseite abgibt, wobei der Leistungsoszillator an oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz schwingt, welche eine Resonanzfrequenz des Gesamtsystems aus Sendeseite und Empfangsseite ist.
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