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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem bestehend aus mindestens einem Sendersystem und mindestens einem Empfängersystem.
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In industriellen Anwendungen kommen Servoantriebe, sogenannte Servoachsen besonders häufig zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch ein regelbares Drehmoment und eine regelbare Drehzahl aus. Es lässt sich also der Arbeitspunkt im Drehzahl-Drehmoment-Diagramm in Grenzen frei einstellen. Damit sind Servoantriebe besonders als Antriebe für Industrieroboter, für fahrerlose Transportsysteme oder für Handlingsgreifer geeignet.
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Der Betrieb von Servomotoren ist nur in Kombination mit einem Servocontroller möglich. Servomotoren existieren in verschiedenen Leistungsklassen (1 W bis 10 kW) und es existieren verschiedene Bauformen. Das Drehmoment wird bei allen Ausführungen durch ein Magnetfeld erzeugt, das sich zwischen Stator und Rotor ausbildet.
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Ein typischer und häufig im industriellen Umfeld eingesetzter Servomotor ist die permanenterregte Synchronmaschine (PMSM). Der Stator besteht aus Drehstromwicklungen und der Rotor aus Permanentmagneten. Durch Anlagen einer Wechselspannung am Stator bildet sich ein Wechselfeld.
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Entscheidend ist dabei, in welchem Winkel Rotor- und Statorfeld zueinander stehen. Denn nur wenn das resultierende Statorfeld senkrecht zum Rotorfeld steht, wird in dieser Konfiguration die eingesetzte Energie, also der angelegte Strom in das maximale Drehmoment umgesetzt.
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Diese senkrechte Ausrichtung wird durch ein Messsystem zur Erfassung des Rotormagnetfeldes in Kombination mit einem Regler erreicht. Als Messsysteme werden Drehgeber oder Hallsensoren eingesetzt. Es existieren auch sensorlose Verfahren zur Ermittlung der Rotorstellung, bei denen die durch den Rotor im Stator induzierte Spannung ausgewertet wird. Das sensorlose Verfahren hat aber bei niedrigen Geschwindigkeiten Nachteile.
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Auf Basis des vom jeweiligen Messsystem bereitgestellten Messsignals wird durch Vektorregelung ein definiertes Drehfeld im Stator erzeugt. Die Energie zur Drehfelderzeugung wird je nach Leistungsklasse entweder aus einem Drehstromnetz (z. B. 400 V) oder aus einem Gleichstromnetz (z. B. 24 V) entnommen.
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Bei einem 3-phasigen Drehstromnetz wird die elektrische Energie zunächst gleichgerichtet und in einem Zwischenkreis (z. B. 600 V Gleichspannung) gespeichert. Durch intelligente Schaltung eines Wechselrichters (Pulsweitenmodulation) nach dem Gleichspannungszwischenkreis kann das gewünschte Drehmoment und die gewünschte Drehzahl am Servoantrieb eingestellt werden. Die Ansteuerungselektronik verfügt über entsprechende Kommunikationsschnittstellen und Signaleingänge bzw. -ausgänge. Die Kombination aus Regler und Umrichter mit Kommunikationsschnittstellen wird Servocontroller genannt.
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Aus der Kombination des Motors mit Messsystem und Regler ergibt sich der Begriff Servoantrieb oder Servoachse. Servoantriebe entsprechend dem Stand der Technik und auf dem Markt bieten mehrere Hersteller (z. B. Bosch, Siemens, SEW, Beckhoff...) eine Vielzahl verschiedener Servoantriebssysteme an.
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Optional kann der Servoantrieb mit einer Gleichstrombremse oder mit einer mechanischen Haltebremse versehen werden. Die Steuerspannung hierfür beträgt typischerweise 0 bis 24 V. Bei Anhaltevorgängen kann auch das Generatorprinzip genutzt werden (4-Quadranten-Regelantrieb), wodurch die Rückeinspeisung von Bremsenergie in einen „Stromspeicher” ermöglicht wird.
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Für das oben beschriebene Servoantriebssystem gibt es bereits geeignete Leistungsteile/Servocontroller, die nur aus einem extern mit Gleichspannung gespeisten Zwischenkreis, einem gesteuerten Wechselrichter und einer externen Steuerspannungsversorgung bestehen.
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Prinzipiell gehört genau zu einem Servoantrieb bzw. einer Servoachse auch genau ein Servocontroller bzw. Achsconstroller. Da hierdurch der erforderliche Platzbedarf und das Applikationsgewicht des Servoantriebs bzw. der Servoachse sehr groß werden können, werden im Normalfall jene leistungselektronischen Antriebsbausteine (Servocontroller bzw. Achscontroller) in einem externen Schaltschrank untergebracht. Jedoch führt auch hier der erhöhte Platzbedarf für komplexe Antriebsstrukturen schnell zu Platzproblemen.
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Dementsprechend sind auch neuartige Servokompaktantriebe und dezentrale Servoantriebssysteme auf dem Markt verfügbar. Bei diesen Servokompaktantrieben sind die zur Drehzahl- und Drehmomenteinstellung erforderlichen Stellglieder direkt im/am Antrieb untergebracht (z. B. Servoantrieb „Wittenstein TLSA” mit integriertem Servocontroller). Die Energieversorgung dieser Modelle kann beispielsweise über Gleichspannung von 24 V erfolgen. So können mehrere Servoachsen an einer Spannungsquelle angeschlossen werden, die aus dem gleichgerichteten 230 V – Netz gespeist wird. Zusätzlich können diese einzelnen Servoantriebe über ein sogenanntes Hybridkabel für die Leistungsübertragung und für die Kommunikation mit der Ansteuerungselektronik sowie untereinander verbunden werden.
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Servoachsen von bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln im industriellen Produktionsumfeld werden vorwiegend durch starre Kabelanbindungen oder geführte Kabelsysteme (Kabelschleppsysteme) mit elektrischer Energie versorgt. Kabelgebundene Systeme unterliegen dabei jedoch hohem Verschleiß und schränken die Bewegungsfreiheit des bewegten Systems in Reichweite und Verdrehmöglichkeit erheblich ein. Durch das Mitführen von Kabeln ist zudem erhöhter Platzbedarf erforderlich und die Masse des bewegten Systems kann steigen, wodurch die Dynamik solcher Systeme, also die Zeit um Stellbewegungen des Systems durchzuführen, leidet.
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Neben permanent kabelgebundenen Systemen existieren zwar Systeme, die zyklisch geladen werden und somit zumindest in der ladefreien Zeit kabellos agieren können. Jedoch wird dafür ein elektrisch ladbarer Energiespeicher (z. B. Akku, Kondensator, chemischer Energiespeicher) am bewegten Betriebs- oder Produktionsmittel benötigt, wobei der Energiespeicher eine teure, voluminöse und schwere Zusatzkomponente ist, die als zusätzlicher Ballast vom System mitgeführt werden muss.
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Die Ladung eines solchen Energiespeichers kann durch eine temporäre Kabelverbindung oder induktive Stromversorgung realisiert werden. Die Ladeenergie wird bei induktiver Stromversorgung zwar kabellos übertragen. Die induktive Energieübertragung ist jedoch auf kurze Übertragungswege beschränkt, sodass auch eine besondere Ladestellung und eine gewisse Verweilzeit in dieser Stellung erforderlich sind, was für die geringe Wirtschaftlichkeit solcher Systeme sorgt.
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Gegenwärtig werden daher auf dem Produktionssektor (insbesondere in der bundesweit stark vertretenen Automobilproduktion) sämtliche Servoantriebe in Betriebs- oder Produktionsmitteln netzbetrieben eingesetzt. Der aktuelle Trend in der Automobilproduktion geht dabei zu einer immer größeren Modellvielfalt bei gleichzeitig geringeren Modelllaufzeiten. Demnach verringern sich deutlich die produzierten Stückzahlen pro Fahrzeugvariante, wodurch insbesondere auch im Karosseriebau die Forderungen nach flexiblen Verfahren, Vorrichtungen und Werkzeugen immer deutlicher werden.
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Neben den bisher starr ausgeführten Karosseriespannvorrichtungen, für die es mittlerweile verschiedene Flexibilisierungskonzepte gibt, werden auch mehr und mehr flexibilisierte Energieversorgungssysteme benötigt. Flexibilisierungslösungen sind hier derzeit nur in Form von Kabelschleppsystemen verfügbar. Deren Reichweite ist jedoch stark begrenzt oder sogar nur eindimensional realisierbar. Der Installationsaufwand für eine derartige Energie- und Datenversorgung mittels Kabelschleppsystem ist ebenfalls hoch. Eine gewisse Störungsanfälligkeit dieses konventionellen kabelgebundenen Energieversorgungssystems kann demzufolge nicht ausgeschlossen werden. Insbesondere die Arbeit im Bereich von hohen Beschleunigungen und Verzögerungen, wie sie bei servobetriebenen Betriebs- oder Produktionsmitteln regelmäßig auftreten können, führt zum schnelleren Verschleiß des Kabelschlepps. Zudem muss bei Kabelschleppsystemen die Masse des Systems selbst, d. h. die Masse der elektrischen Leiter und der sie gegebenenfalls umgebenden Ummantelungs- bzw. Führungskomponenten wiederkehrend bewegt, d. h. beschleunigt und abgebremst werden, was einen unnötigen Energieaufwand nach sich zieht und insbesondere bei hochdynamischen Servoantrieben von Nachteil ist.
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Im Hinblick auf die in Zukunft weiter steigenden Anforderungen an eine flexible, wandlungsfähige und innovative Produktion ist schon jetzt absehbar, dass herkömmliche Kabelverbindungen diese Anforderungen nicht mehr erfüllen werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Energieversorgung und Regelung von Servoantrieben, insbesondere von Servoantrieben in örtlich ungebundenen und bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln für die industrielle Fertigung, zum einen flexibel an Produktionsänderungen anpassbar und zum anderen mit hohem Wirkungsgrad, hoher Wirtschaftlichkeit und geringer Störungsanfälligkeit realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine solche optische Energieversorgung mittels eines Laserstrahls (vorzugsweise mittels des energiereichen Strahls eines Hochleistungslasers) erlaubt die kabellose Energieübertragung zu den Servoantriebsachsen von bewegten Betriebs- oder Produktsmitteln im Bereich der industriellen Fertigung, speziell der Automobil- und Flugzeugproduktion.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des Energieversorgungssystems sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Sendesystem umfasst vorzugsweise eine Laserquelle mit mindestens einem strahlungserzeugenden Laser, beispielsweise ein Halbleiter- oder Festkörperlaser, welcher die ihm zugeführte elektrische Energie in die Energie des ausgesendeten Laserstrahls umwandelt. Indem das Empfängersystem einen Photovoltaik-Receiver aufweist, der die Energie des auf ihn treffenden Laserstrahls wieder zurück in elektrische Energie verwandelt, wird zwischen Sender- und Empfängersystem eine drahtlose Energieübertragung ermöglicht. Somit kann vorteilhafterweise auf physische Kabelverbindungen zwischen dem Sender- und Empfängersystem verzichtet werden, wodurch der Flexibilisierungsgrad und die Wandlungsfähigkeit von mit solch einem Energieversorgungssystem ausgestatteten Betriebs- oder Produktionsmitteln für die industrielle Fertigung stark erhöht werden kann.
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Da von modernen Laserquellen ein Laserstrahl bei hohem Wirkungsgrad erzeugt werden kann und da sich die Umwandeleffizienzen von photovoltaischen Zellen in den letzten Jahren kontinuierlich gesteigert haben, bietet das hier vorgeschlagene laserbasierte Energieversorgungssystem nicht nur Vorteile hinsichtlich einer flexiblen Anwendbarkeit sondern ist auch wirtschaftlich einsetzbar. Zudem erlaubt der Fortschritt auf dem Gebiet der Hochleistungslaser auch die kabel- und faserlose Übertragung von hohen Energien als in naher Zukunft realisierbar zu betrachten.
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Zur Absicherung des Laserstrahls (insbesondere zum Schutz gegen schädliche Einwirkungen des Laserstrahls auf den Menschen) ist vorzugsweise ein zusätzliches Laserschutzsystem vorgesehen, sodass das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem bedenkenlos in eine bestehende Produktionsumgebung integriert bzw. für zukünftige Fabrikplanungen benutzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Empfängersystem mehrere Gleichspannungswandler angeordnet, wobei mit diesen Gleichspannungswandlern die in elektrische Energie umgewandelte Laserstrahlenergie auf mehrere unterschiedliche Gleichspannungsniveaus eingestellt wird, sodass unterschiedliche Spannungsnetze zur umfassenden Versorgung der nachgeschalteten Energieverbraucher im Empfängersystem bereitgestellt werden können.
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Insbesondere können im Empfängersystem zwei Gleichspannungsniveaus ausgebildet sein, nämlich eine Steuerspannung (z. B. 24 V), die über ein Steuerspannungsnetz auf alle der Steuerung und/oder Kommunikation und/oder Sicherheit dienlichen Systemkomponenten des Empfängersystems verteilt wird, und eine Leistungsspannung (z. B. 600 V), die über ein Leistungsspannungsnetz an den oder die Servoantriebe des Empfängersystems übertragen wird. Durch diese beiden Gleichspannungsnetze kann die Drehmoment-/Drehzahlregelung (geregelter Antrieb) des im Empfängersystem vorhandenen Servoantriebs realisiert werden.
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Vorzugsweise ist das Sendersystem ortsfest und das Empfängersystem bewegbar, also ortsungebunden ausgeführt. So kann der im Empfängersystem integrierte Servoantrieb beliebige Bahnverläufe realisieren, solange durch die geometrische Anordnung sichergestellt ist, dass Sendersystem und Empfängersystem miteinander Sichtkontakt haben. Durch das Vorsehen von puffernden Speichern im Steuerspannungs- und/oder Leistungsspannungsnetz kann jedoch eine Energieversorgung des oder der Servoantriebe im Empfängersystem auch noch bei kurzzeitigem Sichtkontaktverlust aufrechterhalten werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1a bis 1d ein Energieversorgungssystem in mehreren Ausführungsbeispielen in schematischer Darstellung unter Darstellung einer energetischen Verbindung zwischen Sender- und Empfängersystemen, und
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2 ein Blockschaltdiagramm eines Energieversorgungssystems nach 1 in schematischer Darstellung mit bevorzugtem Aufbau von Sender- und Empfängersystem.
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Mit einem Energieversorgungssystem 1 wird eine kabellose Energieversorgung von Servoantrieben 5 ermöglicht. Gemäß einem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Energieversorgungssystem 1 mindestens ein energieversorgendes Sendersystem 2 und mindestens ein energieverbrauchendes Empfängersystem 4 auf, wobei in dem Empfängersystem 4 als Energie”verbraucher” mindestens ein, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Servoantriebe 5 installiert sind.
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Solche Servoantriebe 5 werden häufig als Servoachsen in bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln für die industrielle Fertigung, etwa in Werkzeugmaschinen oder in sonstigen Automatisierungslösungen (Verpackungsmaschinen, Industrieroboter, Greifer, fahrerlose Transportsysteme, mobile Roboterplattformen u. v. m.) eingesetzt. Die Energieversorgung der Servoachsen bei solch vorgenannten bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln wurde bisher zumeist durch konventionelle Energieführungen (z. B. aufwendige Kabelschleppsysteme und/oder stromführende Gleitschienen) bereitgestellt, die jedoch aus den bereits genannten Gründen schnell an die Grenzen ihrer Belastbarkeit geraten.
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Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist vorgesehen, dass die Energieübertragung zwischen dem Sendersystem 2 und dem Empfängersystem 4 rein optisch durch den Strahl 3 eines Hochenergielasers erfolgt, sodass der drehzahl- und drehmomentgeregelte Betrieb der Servoantriebe 5 drahtlos, d. h. ohne eine physikalische Verbindung zwischen dem Sendersystem 2 und dem Empfängersystem 4 erfolgt.
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Das Empfängersystem 4 mit den dort integrierten Servoantrieben 5 bildet eine ortsungebundene frei bewegliche Einheit, z. B. den beweglichen Teil eines bewegten Betriebs- oder Produktionsmittels (Greifer, mobile Plattform etc.), wobei durch den Verzicht auf Kabelverbindungen nahezu uneingeschränkte Bewegungskurven des Empfängersystems 4 möglich sind, solange Sichtkontakt zwischen Sender- und Empfängersystem 2, 4 besteht.
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Je nach Einsatzgebiet können auch Gruppen von Empfängersystemen 4a, 4b, 4c (z. B. mehrere Greifer oder mehrere sonstige bewegliche Vorrichtungsteile) durch ebenfalls mehrere Sendersysteme 2a, 2b mit elektrischer Energie versorgt werden. Die 1a bis 1d zeigen wie ein oder mehrere Sendersysteme 2, 2a, 2b mit einem oder mehreren Empfängersystemen 4, 4a, 4b, 4c energetisch gekoppelt werden können.
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1a stellt die einfachste Ausbaustufe des Energieversorgungssystems 1 dar. Ein einziges Sendersystem 2 sendet einen einzigen energieversorgenden Laserstrahl 3 aus, der von einem einzigen Empfängersystem 4 empfangen wird.
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In einer weiteren Systemausbaustufe gemäß 1b sendet ein einziges Sendersystem 2 zwei Laserstrahlen 3 aus, die von zwei voneinander unabhängigen Empfängersystemen 4a, 4b empfangen werden. Diese beiden Empfängersysteme 4a, 4b können auf demselben beweglichen Teil (z. B. dem Roboterarm) eines bewegten Betriebs- oder Produktionsmittels angebracht sein und dieselbe Bewegung ausführen. Sie können aber auch räumlich voneinander getrennt auf unterschiedlichen beweglichen Vorrichtungsteilen angebracht sein und demzufolge unabhängig voneinander unterschiedliche Bewegungen ausführen.
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Gemäß 1c senden zwei Sendersysteme 2a, 2b jeweils einen Laserstrahl 3 aus, wobei beide Laserstrahlen 3 jeweils auf ein einziges gemeinsames Empfängersystem 4 gerichtet sind. Somit kann für das Empfängersystem 4 eine höhere Energieversorgung gewährleistet werden. Zudem bietet ein solches Energieversorgungssystem 1 Absicherung (Redundanz) gegen den Ausfall eines Sendersystems 2a, 2b oder gegen optische Störungen in einer der Laserstrahl-Übertragungsstrecken.
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In 1d ist schließlich die komplexe Systemausbaustufe eines Energieversorgungssystems 1 dargestellt, bei dem eine Gruppe von zwei versorgenden Sendersystemen 2a, 2b mit einer Gruppe von drei verbrauchenden Empfängersystemen 4a, 4b, 4c energetisch verbunden ist. Hierbei sendet jedes der beiden Sendersysteme 2a, 2b jeweils drei energieversorgende Laserstrahlen 3 aus, wobei diese drei Laserstrahlen 3 jeweils an ein Empfängersystem 4a, 4b, 4c gerichtet sind. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass jedes der drei Empfängersysteme 4a, 4b, 4c jeweils zwei energieversorgende Laserstrahlen 3 empfängt, nämlich jeweils einen Laserstrahl 3 von den zwei Sendersystemen 2a, 2b. Ein solches System 1 zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Redundanz gegen Betriebsausfälle aus. Zudem können die beiden Sendersysteme 2a, 2b unabhängig voneinander so platziert werden, dass immer Sichtkontakt zwischen dem jeweiligen Empfängersystem 4a, 4b, 4c und zumindest einem der beiden Sendersysteme 2a, 2b, besteht. Die beiden Sendersysteme 2a, 2b können zu diesem Zweck beide ortsfest, beide bewegbar oder eines ortsfest und eines bewegbar installiert sein.
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In jedem der in den 1a bis 1d dargestellten Ausführungsbeispiele für ein Energieversorgungssystem 1 findet die Energieübertragung zwischen dem oder den Sendersystemen 2, 2a, 2b und dem oder den Empfängersystemen 4, 4a, 4b, 4c rein optisch unter Verwendung eines oder mehrerer Laserstrahlen 3 eines Hochenergielasers statt. Der Umgang mit derartigen Hochenergielasern im Produktionsumfeld erfordert besondere Sicherheitsvorkehrungen, um die personelle Sicherheit, d. h. Sicherheit für den menschlichen Körper, insbesondere Augen und Haut, jederzeit zu gewährleisten. Für den industriellen Einsatz solcher Hochenergielaser wurden bereits spezielle Sicherheitskonzepte entwickelt, nach denen der Laser so in die jeweilige Maschine oder Anlage integriert wird, dass Laserbereich bzw. Bedienung der Maschine/Anlage so voneinander getrennt sind, dass der Bediener der Laserstrahlung in keiner Betriebssituation ausgesetzt ist. Hierzu sind unter anderem entsprechende Sicherheitseinrichtungen (wie z. B. Schutzkabine, Lichtschranken, Laservorhang, Zäune usw.) in das jeweilige System zu integrieren, die mit der jeweiligen Steuerung des Lasers oder der Laserstrahlführung verbunden sind, um den Laser im Gefährdungsfall sofort abzuschalten.
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In den 1a bis 1d wurden Sender- und Empfängersystem 2, 4 lediglich durch Kreise symbolisch dargestellt. Ein bevorzugter Aufbau des Sender- und Empfängersystems 2, 4 wird nachfolgend anhand der 2 erläutert.
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Das Sendersystem 2 des Energieversorgungssystems 1 enthält in erster Linie eine Laserquelle 18 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3. Als Laserquelle 18 kann hierbei beispielsweise ein Halbleiter- oder Festkörperlaser eingesetzt werden. Zur Absicherung des von der Laserquelle 18 ausgehenden Laserstrahls 3 ist ein Laserschutzsystem 20 vorgesehen, das über den gesamten Laserstrahlverlauf vom Sender- zum Empfängersystem 2, 4 vor unbefugtem Eingriff in den Laserstrahl 3 schützt.
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Sowohl die Laserquelle 18 als auch das Laserschutzsystem 20 stehen über entsprechende Datenleitungen 25 mit einer übergeordneten Steuerung 19 des Sendersystems 2 in Steuerverbindung. Diese Steuerung 19 ist mit einer Steuereinheit (z. B. Industrie-PC), welche der Bedienperson eine Bedienung bzw. Bedienelemente und eine Visualisierung zur Verfügung stellt, versehen. Weiter ist in die Steuerung 19 Sicherheitstechnik zur sicheren Steuerung des Laserstrahls 3 integriert.
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Das Sendersystem 2 des optischen Energieübertragungssystems ist vorzugsweise stationär, also ortsfest am jeweiligen Betriebs- oder Produktionsmittel angebracht, wohingegen das Empfängersystem 4 an einem mobilen, ortsbeweglichen Teil des jeweiligen Betriebs- oder Produktionsmittels angeordnet ist. Durch die ortsfeste Anbringung des Sendersystems 2 kann dieses auf einfache kabelgebundene Weise mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Sendersystem 2 kann dabei über elektrische Netzversorgungsleitungen 26 aus dem elektrischen Netz, z. B. einem konventionellen 50 Hz/400 V – Drehstromnetz, versorgt werden.
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Trotz ortsfester Anbringung des Sendersystems 2 ist der von der Laserquelle 18 erzeugte Laserstrahl 3 auf das Empfängersystem 4 ausrichtbar, um somit immer eine sichere optische Verbindung und demzufolge Energieübertragung zwischen Sender- und Empfängersystem 2, 4 zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann das Sendersystem 2 manuell und/oder automatisch auf das Empfängersystem 4 ausgerichtet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sendersystem 2 mit einem Zielverfolgungssystem 21 (Trackingsystem) ausgestattet, um eine automatische Strahlnachführung in Bezug auf das sich bewegende Empfängersystem 4 zu gestatten. Alternativ kann das Sendersystem 2 fest auf ein bewegtes System, z. B. eine verfahr- und drehbare Aufnahmevorrichtung, appliziert sein, wobei dieses bewegte System eine an das mobile Empfängersystem 4 angepasste Bewegung ausführt, damit der Laserstrahl 3 in ständigem energieversorgenden Kontakt zum Empfängersystem 4 steht.
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Bewegte Betriebs- oder Produktionsmittel für die industrielle Fertigung, wie beispielsweise Roboter, verfügen häufig über mehrere frei bewegliche Achsen, um schnelle und präzise Bewegungen durchführen zu können. Um diese Achsen kabelungebunden über ihren gesamten Bewegungsverlauf mit Energie zu versorgen, ist in den Achsen jeweils ein Empfängersystem 4 vorgesehen, wie es beispielhaft in 2 dargestellt ist. Das Empfängersystem 4 ist demzufolge mobil und ortsflexibel und ohne vorhandene Kabel zur Energieversorgung wird diese Bewegbarkeit des Empfängersystems 4 auch weder eingeschränkt noch behindert.
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Der vom Sendersystem 2 abgegebene Laserstrahl 3 trifft zunächst auf einen im Empfängersystem 4 vorgesehenen Photovoltaik-Receiver 9. Dieser Photovoltaik-Receiver 9 wandelt die auftreffende Laserstrahlung in nutzbare elektrische Energie mit einer konstanten Gleichspannung um.
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Die vom Photovoltaik-Receiver 9 bereitgestellte Gleichspannung hängt ab von der Verschaltung und/oder Anzahl der in ihm verbauten einzelnen Photozellen und kann beispielsweise 3,6 V betragen. Denkbar wäre jedoch auch, dass der Photovoltaik-Receiver 9 eine konstante Gleichspannung in Höhe von 24 V abgibt. Ein solche Gleichspannung könnte dann vorteilhafterweise direkt ohne Anpassung durch einen Spannungswandler in ein nachfolgendes Steuerspannungsnetz 12 eingespeist werden.
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Dem Photovoltaik-Receiver 9 nachgeschaltet befinden sich mehrere Energieverbraucher. Eine Gruppe von Verbrauchern wird durch elektrische Servoantriebe 5 gebildet, welche regelmäßig in bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln eingesetzt werden, um genaue und schnelle Bewegungen sicherzustellen. Eine weitere Gruppe von Verbrauchern wird durch Messtechnik und Sensorik 15 gebildet, die ebenfalls regelmäßig im industriellen Umfeld an bewegten Betriebs- oder Produktionsmitteln mitgeführt wird, um verschiedene Messaufgaben zu erfüllen. Schließlich sind weitere elektrische Betriebsmittelkomponenten 17, wie z. B. Spanntechnik (Stiftziehzylinder, Spannzylinder...) oder sonstige Komponenten, empfängerseitig an den Ausgang des Photovoltaik-Receivers 9 als Energieverbraucher angeschlossen.
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Diese vorgeschilderten und in 2 dargestellten Energieverbraucher innerhalb des Empfängersystems 4 unterscheiden sich grundsätzlich in ihrer Spannungsversorgung. Um den Energieverbrauchern die jeweils benötigte elektrische Spannung bereitstellen zu können, sind im Empfängersystem 4 zwei Gleichspannungswandler 10, 11 enthalten, die die vom Photovoltaik-Receiver 9 ausgegebene Gleichspannung in zwei Gleichspannungsniveaus umwandeln.
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Vom ersten Gleichspannungswandler 10 wird die Gleichspannung des Photovoltaik-Receivers 9 auf ein niedriges Gleichspannungsniveau (24 V) transformiert, während der zweite Gleichspannungswandler 11 die Gleichspannung des Photovoltaik-Receivers 9 auf ein hohes Gleichspannungsniveau (600 V) transformiert.
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Das niedrige Gleichspannungsniveau wird als Steuerspannung in ein Steuerspannungsnetz 12 eingespeist, welches in 2 durch punktierte Linien erkennbar ist, während das hohe Gleichspannungsniveau als Leistungsspannung in ein Leistungs- oder Hochspannungsnetz 13, welches in 2 durch gestrichelte Linien erkennbar ist, eingespeist wird.
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Schließlich enthält das Empfängersystem 4 noch ein Datenleitungsnetz 24 (in 2 als dünne durchgezogene Linien dargestellt). Über dieses Datenleitungsnetz 24 kann eine bidirektionale Kommunikation zwischen den Komponenten (Photovoltaik-Receiver 9, Servocontroller 5a, 6 der Servoantriebe 5, puffernde Speicher 14, 15, Kommunikationsschnittstelle 23) des Empfängersystems 4 stattfinden.
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Mit den beiden Spannungsnetzen 12, 13 wird die Versorgung aller Verbraucher sichergestellt. Mit dem Steuerspannungsnetz 12 (24 V) werden beispielsweise alle der Steuerung, Kommunikation und Sicherheit dienlichen Systemkomponenten des Empfängersystems 4 versorgt. Insbesondere wird die 24 V – Steuerspannung an die entsprechenden Steuerspannungsanschlüsse der Servocontroller 5a, 6 der Servoantriebe 5 angelegt. Jeder der drei in 2 dargestellten Servoantriebe 5 des Empfängersystems 4 verfügt notwendigerweise über einen Servocontroller 5a, 6, der den Strom für die Motorphasen regelt, damit der Servomotor exakt mit dem Strom versorgt wird, den er für das gewünschte Drehmoment und die gewünschte Drehzahl benötigt.
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Zwei der drei dargestellten Servoantriebe 5 sind als Servokompaktantriebe ausgeführt und verfügen über einen integrierten Servocontroller 5a. Der dritte (in 2 mittlere) Servoantrieb 5 verwendet einen separaten Servocontroller 6, der durch Leistungs- und Geberkabel 7, 8 mit dem Antrieb 5 verbunden ist. In jedem Fall werden die drei Servocontroller 5a, 6 vom Photovoltaik-Receiver 9 und Gleichspannungswandler 10 mit der erforderlichen Steuerspannung versorgt, um das Drehmoment und die Drehzahl des Servoantriebs 5 regeln zu können.
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Die Versorgung der Servocontroller 5a, 6 mit dieser Steuerspannung wird über einen mit dem Steuerspannungsnetz 12 verbundenen Speicher 14 sichergestellt, welcher durch eine Lade- und Zustandsüberwachung relevante Systemfunktionen bei Sichtkontaktverlust, im Stand-by-Betrieb, bei Notabschaltung oder bei sonstigen Störungen stets aufrechterhält bzw. das Unterschreiten des minimalen Ladezustands vermeidet.
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Neben den Servocontrollern 5a, 6 der drei Servoantriebe 5 sind an das Steuerspannungsnetz 12 zusätzlich noch Messtechnik/Sensorik 16 angeschlossen, die im mobilen Empfängersystem 4 mitgeführt werden, um zum Beispiel im Rahmen einer industriellen Fertigung zuverlässige Kenngrößen zur Fertigungsüberwachung und -steuerung zu liefern. Weiter können über entsprechende Anschlussklemmen am Steuerspannungsnetz 12 sonstige elektrische Betriebsmittelkomponenten 17 angeschlossen sein, beispielsweise die Ansteuerungselektronik von sonstigen elektrischen Maschinen.
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Schließlich wird durch das (in 2 punktiert dargestellte) Steuerspannungsnetz 12 noch eine Kommunikationsschnittstelle 23 des Empfängersystems 4 mit einer Steuerspannung (24 V) betrieben. Diese Kommunikationsschnittstelle 23 des Empfängersystems 4 steht mit einer entsprechenden Kommunikationsschnittstelle 22 des Sendersystems 2 in drahtloser Verbindung, um einen drahtlosen Signalaustausch zwischen dem Sender- und Empfängersystem 2, 4 zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise können somit aktuelle Positionsinformationen des mobilen Empfängersystems 4 übermittelt werden. Da die Kommunikationsschnittstelle 22 des Sendersystems 2 wiederum mit der übergeordneten Steuerung 19 des Sendersystems 2 verbunden ist, können die übermittelten Positionsinformationen zur Steuerung des Zielverfolgungssystems 21 und der Laserquelle 18 des Sendersystems 2 verwendet werden, um einen präzise ausgerichteten und nachgeführten Laserstrahl 3 zu erzeugen.
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Die drahtlosen Kommunikationsschnittstellen 22, 23 können als WLAN-, Bluetooth- oder sonstige Funk-Schnittstellen ausgeführt sein. Für eine schnellere Datenübertragung wäre eine Ausführung als Infrarot-Schnittstellen ebenfalls möglich. Die Kommunikation via Infrarot könnte durch den ohnehin optimal zwischen Laserquelle 18 und Photovoltaik-Receiver 9 ausgerichteten Laserstrahl 3 erfolgen, sodass der Laserstrahl 3 eine Doppelfunktion übernehmen würde (Energieversorgung und Signalaustausch).
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Im Falle mehrerer Sender- und/oder Empfängersysteme 2a, 2b, 4a, 4b, 4c (vgl. 1b, 1c, 1d) kann das Kommunikationssystem über einen Netzwerkbus, z. B. Ethernet, realisiert werden, der sämtliche Steuerungen der einzelnen Sender- bzw. Empfängersysteme 2a, 2b, 4a, 4b, 4c miteinander verbindet.
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In das in 2 gestrichelt hervorgehobene Leistungsspannungsnetz 13 wird über einen am Photovoltaik-Receiver 9 angeschlossenen Gleichspannungswandler 11 eine Hochspannung eingespeist. Die vom Gleichspannungswandler 11 erzeugte Hochspannung entspricht der Zwischenkreisspannung der zur Anwendung kommenden Servoantriebseinheiten 5. Diese Zwischenkreisspannung wird jeweils dem Wechselrichter 27 der drei in 2 als Energieverbraucher vorgesehenen Servoantriebe 5 zugeführt und kann beispielsweise 600 V betragen. Da die Servocontroller 5a, 6 jeweils den Wechselrichter 27 beinhalten, sind in 2 die Servocontroller 5a, 6 der drei Servoantriebe 5 jeweils auch an das Leistungsspannungsnetz 13 angeschlossen.
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In Übereinstimmung zum Steuerspannungsnetz 12 ist innerhalb des Leistungsspannungsnetzes 13 ebenfalls ein puffernder Speicher 15 (z. B. Batterie, Kondensator...) integriert, um eine Versorgung der Servoantriebe 5 mit der erforderlichen Leistungsspannung auch bei einem Ausfall des energieversorgenden Laserstrahls 3 (z. B. bei Sichtkontaktverlust, Stand-by-Betrieb, Notabschaltung...) weiter zu ermöglichen. Die Dimensionierung des eingesetzten Speichers 15 kann dabei an die jeweils vorliegenden Rahmenbedingungen, insbesondere an die Anzahl und Einschaltdauern der verwendeten Servoantriebseinheiten 5, optimal angepasst werden.
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Auch am empfängerseitigen Leistungsspannungsnetz 13 sind neben den Servoantrieben 5 über entsprechende Anschlussklemmen weitere elektrische Betriebsmittelkomponenten 17 (z. B. Positionier- und/oder Spannelemente wie Stiftziehzylinder, Spannzylinder etc.) angeschlossen. So erlaubt das empfängerseitig zur Verfügung gestellte speicherintegrierte Steuer- und Leistungsspannungsnetz 12, 13 eine zuverlässige Versorgung der im Empfängersystem 4 angeschlossenen Verbraucher mit elektrischer Energie.
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Zusätzlich sind die einzelnen Komponenten (Photovoltaik-Receiver 9, puffernde Speicher 14, 15, Servocontroller 5a, 6 der Servoantriebe 5, Kommunikationsschnittstelle 23) des Empfängersystems 4 über ein (in 2 mit dünnen durchgezogenen Linien dargestelltes) Netzwerk (Datenleitungsnetz 24) miteinander verbunden, sodass beispielsweise bei einer festgestellten Störung im Photovoltaik-Receiver 9 (z. B. wegen Sichtkontaktverlust, Notabschaltung...) eine unterbrechungslose Weiterversorgung der angeschlossenen Verbraucher (Servoantriebe 5, Messtechnik/Sensorik 16...) durch die Speicher 14, 15 gewährleistet werden kann.
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Das hier vorgestellte Energieversorgungssystem 1 ist insbesondere in bewegte Betriebs- oder Produktionsmittel für die industrielle Fertigung (wie z. B. robotergeführte Greifer, robotergeführte Schrauber etc.) integrierbar. Es kann jedoch auch zur Energieversorgung von mobilen Plattformen, insbesondere für Überwachungs-, Navigations- und/oder Sicherungsaufgaben, eingesetzt werden.
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Die Servoantriebe solcher vorgenannten Vorrichtungen werden bisher hauptsächlich durch physische Kabelverbindungen mit elektrischer Energie versorgt, wodurch der Flexibilisierungsgrad und die Wandlungsfähigkeit dieser bekannten Vorrichtungen stark eingeschränkt werden. Beim erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 1 findet zwischen Sender- und Empfängersystem 2, 4 jedoch eine rein optische Energieübertragung mittels eines Laserstrahls 3 statt, wodurch die Drehzahl-/Drehmomentenregelung von ortsungebundenen freibeweglichen Servoantrieben 5 ohne einschränkende Kabel- und Steckerverbindungen realisiert werden kann. Auf diese Weise wird eine flexible, wandlungsfähige und wirtschaftliche Energieversorgung der Servoantriebe 5 bereitgestellt.
