DE102018008251A1

DE102018008251A1 - Verfahren zur Detektion eines bewegbar angeordneten Mobilteils mit Sekundärwicklung und System zur Durchführung eines Verfahrens

Info

Publication number: DE102018008251A1
Application number: DE102018008251.3A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmidt; Bernhard Köhler; Michael Kutz
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2019-05-16

Abstract

Verfahren zur Detektion eines bewegbar angeordneten Mobilteils mit Sekundärwicklung und System zur Durchführung eines Verfahrens,wobei eine stationär angeordnete Primärwicklung von einer Einheit gespeist wird,wobei die Einheit der Primärwicklung elektrische Energie mit einer Frequenz zuführt, welche verändert wird,wobei die an der Primärwicklung anliegende Spannung und der durch die Primärwicklung fließende Strom erfasst werdenund aus den erfassten Werten eine Resonanzfrequenz bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines bewegbar angeordneten Mobilteils mit Sekundärwicklung und ein System zur Durchführung eines Verfahrens.
Es ist allgemein bekannt, Energie elektrisch von einer Primärwicklung an eine zur Primärwicklung induktiv gekoppelte Sekundärwicklung zu übertragen. Allerdings treten Verluste bei einer Bestromung der Primärwicklung auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine induktive Energieübertragung an ein bewegbares Mobilteil weiterzubilden, wobei Verluste verringert werden sollen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 und bei dem System nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung und ein Verfahren sind, dass das Verfahren zur Bestimmung des Maßes einer induktiven Kopplung zwischen einer stationär angeordneten Primärwicklung und einer an einem relativ zur Primärwicklung bewegbaren Mobilteil angeordneten Sekundärwicklung vorgesehen ist,
insbesondere zur Detektion des bewegbar angeordneten Mobilteils mit Sekundärwicklung,
wobei die Primärwicklung von einer Einheit gespeist wird,
wobei die Einheit der Primärwicklung elektrische Energie mit einer Frequenz zuführt, welche von der Einheit gesteuert wird, wobei die Frequenz innerhalb eines Frequenzbereichs variiert wird,
wobei der Wert der an der Primärwicklung anliegenden Spannung und der Wert des durch die Primärwicklung fließenden Stroms erfasst werden, insbesondere von der Einheit,
und aus dem frequenzabhängigen Verlauf der erfassten Werte ein Maß für die induktive Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung bestimmt wird.
Von Vorteil ist dabei, dass das Maß der induktiven Kopplung bestimmt wird und abhängig vom Ergebnis der Bestimmung die Energieübertragung ausgeführt wird oder nicht. Der Wirkungsgrad ist nämlich abhängig von der induktiven Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.
Wenn das Mobilteil weit entfernt ist und somit keine wesentliche induktive Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung vorhanden ist, ist auch keine Übertragung von Energie ausführbar. Erst wenn das Mobilteil eine derart optimale Position erreicht hat, dass die induktive Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung ausreichend stark ist, wird die Energieübertragung gestartet, also die Primärwicklung mit Starkstrom beaufschlagt. Für die bloße Detektion des Maßes der induktiven Kopplung hingegen ist ein Schwachstrom ausreichend. Somit sind Verluste reduzierbar. Denn nur bei Eintreffen des Mobilteils wird die Primärwicklung mit Starkstrom beaufschlagt.
Mittels des Feststellens der Anwesenheit des Mobilteils nach dessen Erreichen der Position optimaler induktiver Kopplung ist dann ermöglicht, die Primärwicklung mit einem Starkstrom zu beaufschlagen, welcher genau diejenige Frequenz aufweist, bei welcher die maximale Leistungsübertragung ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sekundärwicklung an der Unterseite des Mobilteils angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Sekundärwicklung der Primärwicklung möglichst nahe kommen kann, wenn das Mobilteil die Position optimaler induktiver Kopplung erreicht hat.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sekundärwicklung eine Kapazität parallel zugeschaltet, insbesondere wobei die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises innerhalb des von der Einheit verwendeten Frequenzbereichs angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei Einspeisung der Frequenz in die Primärwicklung eine hohe Leistungsübertragung ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einheit ein Netzwerkanalysator, insbesondere welcher eine frequenzsteuerbare Spannungsquelle oder frequenzsteuerbare Stromquelle aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Frequenz steuerbar ist und somit die Resonanzfrequenz gefunden werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist die Einheit die Primärwicklung mit einer Wechselspannung, deren Frequenz verändert wird, insbesondere innerhalb eines Frequenzbereichs,
wobei eine Amplitude, insbesondere der Wechselspannung und/oder des durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes, bestimmt wird und/oder eine Phasenverschiebung, insbesondere zwischen der Wechselspannung und dem durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes. Von Vorteil ist dabei, dass zur Bestimmung des Maßes an induktiver Kopplung die Frequenz eines Schwachstroms verändert wird und somit ohne Verluste die aktuelle Resonanzfrequenz gefunden wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein lokales Maximum

- des frequenzabhängigen Amplitudenverlaufs oder
- des frequenzabhängigen Verlaufs des Quotienten aus der Amplitude der Wechselspannung und der Amplitude des durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes

Wichtige Merkmale bei dem System zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens sind, dass eine von einer frequenzsteuerbaren Spannungsquelle gespeiste Primärwicklung am Boden einer Anlage, insbesondere also stationär, angeordnet ist,
wobei ein Mobilteil auf dem Boden verfahrbar ist,
welches an seiner Unterseite eine Sekundärwicklung aufweist, welcher eine Kapazität zur Bildung eines Schwingkreises parallel zugeschaltet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass eine optimale Energieübertragung ausführbar ist, wobei möglichst geringe Verluste anfallen. Denn der Starkstrom wird erst nach Erreichen der Position optimaler Kopplung eingeschaltet und er wird mit exakt der Frequenz erzeugt, welche optimal ist für die Leistungsübertragung - auch wenn die Resonanzfrequenz des sekundärseitigen Schwingkreises sich verändert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist die Primärseite einer Ladestation für an seiner Unterseite eine Sekundärwicklung 30 aufweisendes Mobilteil dargestellt, wobei kein Mobilteil induktiv gekoppelt mit der Primärwicklung vorhanden ist.
In der 2 ist ein zur 1 zugehöriger frequenzabhängiger Amplitudenverlauf dargestellt.
In der 3 ist ein Mobilteil im Bereich induktiver Kopplung der Primärwicklung angeordnet.
In der 4 ist ein zur 3 zugehöriger frequenzabhängiger Amplitudenverlauf dargestellt.

Wie in den Figuren dargestellt, ist eine Primärwicklung 2 von einem Netzwerkanalysator 1 gespeist, welcher eine Wechselspannung U mit vorgegebener Frequenz f der Primärwicklung 2 zur Verfügung stellt. Somit wird ein Wechselstrom durch die Primärwicklung 2 bewirkt, dessen Amplitude A erfasst wird.
Die Frequenz f wird dabei nicht konstant gehalten sondern verändert.
Wie in 2 gezeigt wird die Frequenz f dabei in einem Frequenzbereich verändert, der in 2 dargestellt ist.
Vorzugsweise wird die Frequenz proportional zur Zeit verändert, insbesondere wobei dies periodisch wiederholt wird, also ein sägezahnartiger zeitlicher Verlauf der Frequenz vorgegeben. Die dabei erfassten Amplituden A sind in 2 schematisch dargestellt und verlaufen näherungsweise linear. Insbesondere ist kein lokales Extremum in dem durchlaufenen Frequenzbereich vorhanden.
Wie in 3 dargestellt, ist eine an der Unterseite des Mobilteils angeordnete Sekundärwicklung 30 induktiv gekoppelt mit der stationär angeordneten Primärwicklung 2.
Der Sekundärwicklung 30 ist eine Kapazität 31 parallel zugeschaltet, so dass die Resonanzfrequenz f_res des so entstandenen Schwingkreises einer der Frequenzen des durchlaufenen Frequenzbereichs entspricht.
In 4 ist der Verlauf der Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.
Hierbei ist ein lokales Maximum bei der Resonanzfrequenz f_res erreicht. Durch Bestimmen des eines lokalen Maximums ist also das Vorhandensein eines Mobilteils mit Sekundärwicklung detektierbar. Die Höhe dieses lokalen Maximums korreliert mit der Stärke der induktiven Kopplung zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 30.
Somit ist durch zeitlich wiederholende Bestimmung des lokalen Maximums und der zugehörigen Spitzenamplitude ein Annähern des Mobilteils oder ein Entfernen des Mobilteils bezogen auf die Position optimaler induktiver Kopplung detektierbar.
Auf diese Weise ist auch der Wert der Spitzenamplitude einer Regeleinheit des Mobilteils zuführbar, welche das Mobilteil derart ansteuert, dass das Mobilteil immer näher hin zur Position optimaler induktiver Kopplung hingesteuert wird.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird alternativ oder zusätzlich die Phasendifferenz zwischen der erfassten Spannung am Ausgang des Netzwerkanalysators 1 und dem durch die Primärwicklung fließenden erfassten Strom bestimmt.
Somit ist auch mittels der Phasenbestimmung die Resonanzfrequenz bestimmbar.
Bezugszeichenliste

1: Netzwerkanalysator
2: Primärwicklung
30: Sekundärwicklung
31: Kapazität
f_res: Resonanzfrequenz
A: Amplitude
f: Frequenz

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Maßes einer induktiven Kopplung zwischen einer stationär angeordneten Primärwicklung und einer an einem relativ zur Primärwicklung bewegbaren Mobilteil angeordneten Sekundärwicklung, insbesondere zur Detektion des bewegbar angeordneten Mobilteils mit Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung von einer Einheit gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit der Primärwicklung elektrische Energie mit einer Frequenz zuführt, welche von der Einheit gesteuert wird, wobei die Frequenz innerhalb eines Frequenzbereichs variiert wird, wobei der Wert der an der Primärwicklung anliegenden Spannung und der Wert des durch die Primärwicklung fließenden Stroms erfasst werden, insbesondere von der Einheit, und aus dem frequenzabhängigen Verlauf der erfassten Werte ein Maß für die induktive Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung an der Unterseite des Mobilteils angeordnet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärwicklung eine Kapazität parallel zugeschaltet ist, insbesondere wobei die Resonanzfrequenz des so gebildeten Schwingkreises innerhalb des von der Einheit verwendeten Frequenzbereichs angeordnet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit ein Netzwerkanalysator ist, insbesondere welcher eine frequenzsteuerbare Spannungsquelle oder frequenzsteuerbare Stromquelle aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit die Primärwicklung mit einer Wechselspannung speist, deren Frequenz verändert wird, insbesondere innerhalb eines Frequenzbereichs, wobei eine Amplitude, insbesondere der Wechselspannung und/oder des durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes, bestimmt wird und/oder eine Phasenverschiebung, insbesondere zwischen der Wechselspannung und dem durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Maximum - des frequenzabhängigen Amplitudenverlaufs oder - des frequenzabhängigen Verlaufs des Quotienten aus der Amplitude der Wechselspannung und der Amplitude des durch die Primärwicklung fließenden Wechselstromes gesucht wird, insbesondere indem ein Nulldurchgang des nach der Frequenz differenzierten Amplitudenverlaufs beziehungsweise Quotientenverlaufs gesucht wird, insbesondere wobei der Wert der Amplitude beziehungsweise des Quotienten am Nulldurchgang als Maß für induktive Kopplung verwendet wird, insbesondere wobei der Wert des Maßes an eine Regeleinheit des Mobilteils übermittelt wird, welche die Bewegung des Mobilteils derart steuert, dass der Wert des Maßes einen Sollwert erreicht oder überschreitet, insbesondere wobei nach Erreichen oder Überschreiten des Sollwertes die Primärwicklung mit einem Starkstrom beaufschlagt wird, dessen Frequenz der Frequenz am Nulldurchgang gleicht, insbesondere so dass eine resonante induktive Energieübertragung ausführbar ist.
System zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer frequenzsteuerbaren Spannungsquelle gespeiste Primärwicklung am Boden einer Anlage, insbesondere also stationär, angeordnet ist, wobei ein Mobilteil auf dem Boden verfahrbar ist, welches an seiner Unterseite eine Sekundärwicklung aufweist, welcher eine Kapazität zur Bildung eines Schwingkreises parallel zugeschaltet ist.