-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energieübertrager zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Elektromotoren und/oder Elektrogeneratoren zum mechanischen Antrieb von Maschinen oder aber zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie zu nutzen. Hierzu weist eine solche elektrische Drehmaschine einen Rotor und einen Stator auf, die in Relation zueinander eine Bewegung ausführen. Die dabei benötigte oder aber erzeugte elektrische Energie wird dann mittels Übertragung zwischen rotierenden und feststehenden Teilen geleitet. Hierzu werden Schleifkontakte, auch als Bürsten oder Kohlen bekannt, verwendet, die einem mechanisch abrasiven Verschleiß ausgesetzt sind. Solche Schleifkontakte rufen somit ein entsprechendes Wartungsintervall und damit verbundene Wartungskosten bei einer elektrischen Drehmaschine auf. Zudem schränken die Schleifkontakte die Freiheitsgrade bei der Konstruktion einer entsprechenden Maschine ein.
-
Beispielsweise ist aus der
DE 102 03 651 A1 ein Übertrager zur Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei dem elektrische Energie drahtlos von einem stehenden auf ein drehendes Teil übertragen wird.
-
Aus der
US 6 032 546 A ist ein Energieübertragungssystem zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie bekannt, bei dem ein außenliegender Teil um einen inneren feststehenden Teil rotiert. Zwischen außenliegendem Teil und innenliegendem Teil sind jeweils zwei in Axialrichtung parallel versetzte und in Radialrichtung beabstandete umlaufende Pole ausgebildet, über welche ein Magnetfeld übertragen wird. Am rotierenden Teil und am feststehenden Teil sind radial umlaufend verteilt Spulenkörper angeordnet.
-
Ferner sind aus der
US 6 326 713 B1 ,
DE 10 53 070 B und
US 2012 / 0 133 468 A1 Energieübertragungssysteme zur drahtlosen Übertragung elektrischer Energie bekannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik die Möglichkeit zur drahtlosen Energieübertragung von einem stehenden auf ein rotierendes Teil aufzuzeigen, die einen konstruktiv einfachen Aufbau und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweist sowie ein breites Einsatzgebiet findet.
-
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Der erfindungsgemäße Energieübertrager zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie von einem innenliegenden rotierenden auf einen außenliegenden feststehenden Teil zeichnet sich dadurch aus, dass der rotierende Teil und der feststehende Teil jeweils parallel zueinander versetzt in Axialrichtung zwei Nivellierringe aufweisen, wobei jeweils ein Nivellierring des feststehenden Teils und ein Nivellierring des rotierenden Teils in Axialrichtung auf gleicher Höhe liegen und in Radialrichtung zueinander beabstandet sind und an jeweils einem Nivellierring des feststehenden Teils und einem Nivellierring des rotierenden Teils radial umlaufend versetzt zueinander Spulenkörper angeordnet sind, wobei jeweils in Axialrichtung parallel beabstandet zu einem Spulenkörper ein aus magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildeter Leiter an dem jeweils zweiten Nivellierring angeordnet ist und mindestens an dem feststehenden Teil der Spulenkörper mit dem Leiter über eine Brücke aus magnetfeldleitendem Werkstoff gekoppelt ist, so dass der Spulenkörper, die Brücke und der Leiter eine U-Form ausbilden.
-
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, den in Radialrichtung entstehenden Spalt zwischen Nivellierring des außenliegenden feststehenden Teils sowie des innenliegenden rotierenden Teils zu minimieren. Gleichzeitig wird über die Nivellierringe das jeweils entstehende Magnetfeld derart homogenisiert, das radial umlaufend nahezu mit gleicher Stärke übertritt. Die auf dem Nivellierring des feststehenden Teils angeordneten Spulenkörper zeigen in Radialrichtung nach außen. Es sind bevorzugt radial umlaufend mindestens zwei Spulenkörper, insbesondere bis zu 128 angeordnet. Gleiches gilt für den Nivellierring des innenliegenden rotierenden Teils, mit der Ausnahme, dass die Spulenkörper hier gegenüber dem Nivellierring in Radialrichtung nach innen orientiert angeordnet sind.
-
In Verbindung mit der Brücke und dem Leiter bildet sich jeweils am außenliegenden feststehenden Teil und innenliegenden rotierenden Teil eine aus Axialrichtung betrachtete U-Form. Wird nunmehr der Spulenkörper mit Strom beaufschlagt, wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das aufgrund der magnetfeldleitenden Werkstoffeigenschaften von Brücke und Leiter und optional einem Kern des Spulenkörpers orientiert in der U-Form gerichtet verläuft. Die U-Form des außenliegenden feststehenden Teils ist dabei derart ausgebildet, dass die Brücke auf die Radialrichtung nach außen orientiert angeordnet ist und somit die zwei freien Schenkel in Radialrichtung nach innen orientiert zeigen.
-
Die U-Form des innenliegenden rotierenden Teils ist derart angeordnet, dass die Brücke auf die Radialrichtung nach innen bezogen angeordnet ist und die zwei freien Schenkel der U-Form dann in Radialrichtung nach außen orientiert angeordnet sind. Somit bilden beide U-Formen ein Rechteck, so dass ein geschlossener Magnetfeldkreis erzeugt ist.
-
Ist nunmehr der rotierende Teil in Bewegung versetzt, so liegen nicht Spulenkörper bzw. Leiter vom rotierenden Teil und feststehenden Teil in Radialrichtung auf jeweils einer Geraden, sondern die Spulenkörper bzw. Leiter des rotierenden Teils bewegen sich relativ gegenüber den Spulenkörpern und Leitern des feststehenden Teils. Dies wird jedoch aufgrund der Nivellierringe im Rahmen der Erfindung kompensiert. Somit wird bei der Beaufschlagung, beispielsweise des äußeren feststehenden Teils mit einer Spannung, der äußere feststehende Teil als Primärspule genutzt. Dieser erzeugt dann ein elektromagnetisches Feld, das auf den innenliegenden rotierenden Teil übertragen wird, wodurch hier eine Spannung induziert wird. Somit erfolgt die drahtlose Übertragung der elektrischen Energie. Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch der innenliegende Teil als Primärspule genutzt werden, um eine hier anliegende Spannung aufgrund des elektromagnetischen Feldes an den außenliegenden feststehenden Teil, welcher als Sekundärspule genutzt wird, zu übertragen. Beispielsweise ist dies für einen Generatorbetrieb ein denkbarer Anwendungsfall.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass nicht nur an den einzelnen Spulenkörpern, sondern auch an der Brücke oder auch alternativ oder aber ergänzend an dem Leiter eine zusätzliche Spule angeordnet wird, um die zu übertragende Energie in ihrer Stärke zu beeinflussen bzw. die erforderlichen Anwendungen des Energieübertragungssystems zu modifizieren.
-
Es ist weiterhin vorteilhaft möglich, dass in dem Spalt zwischen dem jeweiligen Nivellierring vom außenliegenden feststehenden Teil und innenliegenden rotierenden Teil ein Lager angeordnet wird, welches insbesondere selbst wiederum aus magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildet ist. Eventuelle Streuverluste werden somit durch die gezielte Lenkung des erzeugten elektromagnetischen Feldes minimiert.
-
Zur weiteren Verstärkung der zu übertragenden Energie sieht eine vorteilhafte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung vor, dass in einem Teil der U-Form des feststehenden Teils und/oder in einem Teil der U-Form des rotierenden Teils ein Permanentmagnet angeordnet ist. Beispielsweise kann die Brücke, der Leiter oder aber auch ein Kern innerhalb des Spulenkörpers als Permanentmagnet ausgebildet sein oder aber permanentmagnetisiert sein. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems weiter erhöht werden bzw. die Leistungsfähigkeit des Systems betreffend der zu übertragenden elektrische Energie weiter erhöht werden.
-
Weiterhin besonders bevorzugt ist zur Stabilität und auch zur einfachen Erstmontage das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem derart ausgebildet, dass jeweils die freien Enden der U-Formen über einen Steg miteinander verbunden sind, wobei der Steg aus nicht magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildet ist.
-
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Energieübertragungssystem derart betrieben, dass auf die Primärspulen eine Wechselspannung aufgebracht wird, wobei dann alle Spulenkörper mit gleicher Polung angeschlossen sind. Somit wird auf dem gesamten Teil der Primärspule, beispielsweise dem feststehenden Teil, im Wechsel einheitlich jeweils ein elektromagnetischer Pol erzeugt, der dann auf das elektromagnetische Feld übertragen wird und hier eine entsprechende Spannung induziert.
-
Der Kern der Spulenkörper sowie der Leiter sind bevorzugt aus dünnen Blechen hergestellt, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Hierzu eignen sich beispielsweise Elektrobleche, Weicheisen oder aber keramische Werkstoffe bzw. ferritische Werkstoffe. Die an der Primärspule dann induzierte elektrische Spannung kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise durch einen Gleichrichter oder andersartigen Spannungswandler derart gewandelt werden, dass die elektrische Energie in der benötigten Form bereitgestellt ist.
-
Im Rahmen der Erfindung kann somit elektrische Energie von einem rotierenden Körper auf einen feststehenden Körper oder aber von einem feststehenden Körper auf einen rotierenden Körper übertragen werden, ohne dass dazu ein formschlüssiger Kontakt notwendig ist.
-
Sowohl eine Wechselspannung als auch eine gepulste Gleichspannung können mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Energieübertragungssystem übertragen werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante sind insbesondere an dem feststehenden Teil oder aber dem rotierenden Teil der Kern des Spulenkörpers, die Brücke und der Leiter, mithin die jeweilige U-Form einteilig und werkstoffeinheitlich ausgebildet. Bevorzugt ist dann um den Kern des Spulenkörpers und/oder die Brücke und/oder den Leiter jeweils eine Spule gewickelt, so dass dadurch die Übertragungsleistung optimiert und/oder gesteigert werden kann.
-
Die U-Formen selber können dabei derart in freien Enden aufeinander zu zeigend sein, dass die freien Enden sich stirnseitig unter Ausbildung eines Spaltes gegenüberstehen. Die freien Enden können jedoch auch so in Axialrichtung versetzt sein, dass eine U-Form die andere U-Form außenseitig umgreift oder aber auch beide U-Formen gleich breit in Axialrichtung ausgebildet sind, jedoch in Axialrichtung versetzt sind, so dass sie in Radialrichtung hintergreifend und/oder ineinandergreifend ausgebildet sind.
-
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Energieübertrager in einer Seitenansicht,
- 2 den Energieübertrager in einer Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie II-II aus 1,
- 3a) und b) alternative Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Energieübertrages jeweils in einer Querschnittsansicht.
-
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgrünen entfällt.
-
1 zeigt den erfindungsgemäßen Energieübertrager 1 in einer Querschnittsansicht. Diese Querschnittsansicht weist einen außenliegenden feststehenden Teil 2 gegenüber einem rotierenden Teil 3 auf. Der rotierende Teil 3 ist dabei auf einer Rotorwelle 4 mit nicht näher dargestellten Lagern gelagert. Sowohl an dem außenliegenden feststehenden Teil 2 als auch an dem innenliegenden rotierenden Teil 3 ist jeweils ein Nivellierring 5, 6 angeordnet, wobei zwischen den zwei Nivellierringen 5, 6 ein Spalt 7 ausgebildet ist. In Radialrichtung R nach außen ist an dem äußeren feststehenden Teil 2 orientiert dann jeweils ein Spulenkörper 8 angeordnet sowie in Radialrichtung R nach innen an dem rotierenden Teil 3 ebenfalls ein Spulenkörper 9, der hinter dem Nivellierring 6 des rotierenden Teils 3 orientiert angeordnet ist. Führt nunmehr der innenliegende rotierende Teil 3 eine Drehbewegung D aus, so wären die dargestellten Spulenkörper 8, 9 vom feststehenden Teil 2 und rotierenden Teil 3 nicht mehr auf einer Radialachse gelegen, sondern versetzt zueinander. Durch die Nivellierringe 5, 6 wird ein nicht näher dargestelltes Magnetfeld jedoch derart homogenisiert, dass die Position der Spulenkörper 8, 9 in Relation zueinander zu vernachlässigen ist.
-
In 2 ist zu erkennen, dass in Axialrichtung A sowohl an dem innenliegenden rotierenden Teil 3 als auch an dem außenliegenden feststehenden Teil 2 jeweils parallel versetzt zwei Nivellierringe 5, 6 angeordnet sind. Zwischen den Nivellierringen 5, 6 ist der Spalt 7 ausgebildet. Ein von dem feststehenden Teil 2 als Primärspule erzeugtes Magnetfeld M wird somit über den Spalt 7 in die Spulenkörper 9 des rotierenden Teils 3 in Form der Sekundärspule übertragen, so dass hier eine Spannung induziert wird. Damit nunmehr das Magnetfeld gerichtet ist, ist jeweils eine U-Form des feststehenden Teils 2 sowie des rotierenden Teils 3 gegeben, die zusammen bezogen auf die obere und untere Bildhälfte dann je ein geschlossenes Rechteck bilden, um den über die Nivellierringe 5, 6 erzeugten Kreis zu schließen. Dabei weist der äußere feststehende Teil 2 eine Brücke 10 sowie einen zu dem Spulenkörper 8 versetzten Leiter 11 auf, der die U-Form erzeugt. Ebenfalls ist ein Leiter 11 an dem außenliegenden feststehenden Teil 2 angeordnet, der in Verbindung mit dem Spulenkörper 12 des rotierenden Teils 3 und hier dargestellt mit der Rotorwelle 4 ebenfalls eine U-Form bildet. Alternativ kann auch eine nicht näher dargestellte Brücke im Bereich der Rotorwelle 4 den Spulenkörper 9 sowie den Leiter 12 des innenliegenden rotierenden Teils 3 miteinander verbinden. Zur besseren Stabilität und leichterer Montage sind weiterhin Stege 13 angeordnet, wobei die Stege 13 aus nicht magnetisierbarem bzw. nicht magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildet sind.
-
3a) bis c) zeigen verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung. In 3a) ist der jeweilige Spulenkörper 8, 9 vom feststehenden Teil 2 und rotierenden Teil 3 nicht in Radialrichtung R orientiert, sondern in Axialrichtung A orientiert auf der Brücke 10 aus magnetfeldleitendem Werkstoff angeordnet. Es sind somit jeweils seitlich verteilt zwei Leiter 11, 12 zum Anschluss an den jeweiligen Nivellierring 5, 6 ausgebildet, die dann in Verbindung mit den Nivellierringen 6 des rotierenden Teils 3 wiederum einen geschlossenen Magnetfeldkreis erzeugen. Die Spulenkörper 9 des rotierenden Teils 3 sind ebenfalls auf einer Brücke 10 angeordnet, so dass auch hier ein Leiter 12 des rotierenden Teils 3 angeordnet ist, um den Magnetfeldkreis M zu schließen.
-
3b) zeigt eine dazu alternative Ausführungsvariante, bei der die Leiter 11 des außenliegenden feststehenden Teils 2 in Axialrichtung A über die Leiter 12 des innenliegenden rotierenden Teils 3 stehen und diese dann in Radialrichtung R übergreifen. Hierdurch ist der Spalt 7 nicht in Radialrichtung R sondern in Axialrichtung A ausgebildet. Auch hier sind die Spulenkörper 8, 9 wieder im Bereich einer angedeuteten Brücke 10 angeordnet, wobei hier die Möglichkeit besteht, dass die Leiter 11, 12 und Brücke 10 jeweils einstückig und werkstoffeinheitlich ausgebildet sind und somit auf Stege 13 verzichtet werden kann. Auch hier erfolgt wiederum ein geschlossener Magnetkreis über den Spalt 7 von rotierendem Teil 3 zu feststehendem Teil 2.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1 -
- Energieübertrager
- 2 -
- feststehender Teil
- 3 -
- rotierender Teil
- 4 -
- Rotorwelle
- 5 -
- Nivellierring zu 2
- 6 -
- Nivellierring zu 3
- 7 -
- Spalt
- 8 -
- Spulenkörper zu 2
- 9 -
- Spulenkörper zu 3
- 10 -
- Brücke
- 11 -
- Leiter zu 2
- 12 -
- Leiter zu 3
- 13 -
- Steg
- M -
- Magnetfeld
- D -
- Drehbewegung
- R -
- Radialrichtung
- A -
- Axialrichtung
