DE102019106719A1

DE102019106719A1 - Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten

Info

Publication number: DE102019106719A1
Application number: DE102019106719.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Heinrich; David Maier; Nejila Parspour
Original assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Balluff GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US20200295600A1; CN111696761B; CN111696761A; US11355965B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten von einem primärseitigen Träger auf wenigstens einen auf dem Träger positionierbaren sekundärseitigen Abnehmer, ist gekennzeichnet durch eine mäanderförmige Wicklung auf der Primärseite und wenigstens eine mäanderförmige Wicklung auf der Sekundärseite.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur induktiven Übertragung elektrischer Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So geht beispielsweise aus der DE 20 2009 009 689 U1 eine Vorrichtung zur induktiven Übertragung elektrischer Energie von einer stationären Einheit mit mindestens einer Primärinduktivität zu einem benachbart zu dieser stehenden Fahrzeug mit mindestens einer Sekundärinduktivität hervor. Die DE 10 2015 005 871 A1 beschreibt ein System zur kontaktlosen Energieübertragung von einem bodenverlegten Primärleiter an ein insbesondere auf dem Boden stehendes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine an dem Primärleiter induktiv koppelbare Sekundärwicklungsanordnung aufweist.
Im industriellen Bereich werden Sensoren und Aktoren an Befestigungselementen angeordnet, die beispielsweise als sogenannte aktive Stangen ausgebildet sind, durch welche Energie und/oder Daten mittels eines elektromagnetischen Kopplungsverfahrens an beispielsweise Sensoren übertragen werden. Ein solches Befestigungselement geht aus der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2018 109 267.9 der Anmelderin hervor.
Es ist in der industriellen Anwendung vorteilhaft, wenn mehrere Sensoren an einem einzigen Befestigungselement, beispielsweise in Form einer Stange von beispielsweise 70 cm Länge und 8 cm Durchmesser angeordnet sind. Die Übertragung der Energie kann dabei als Punkt-zu-Punkt-System realisiert werden. Bei einer solchen Übertragung als Punkt-zu-Punkt-System muss pro sekundärseitigem Abnehmer, also beispielsweise Sensor, eine Leistungselektronik auf der Primärseite vorgesehen sein. Eine stufenlose Positionierung längs des Trägers, also beispielweise einer Stange, ist hiermit nicht möglich. Ob eine drehbare Positionierung möglich ist, hängt von dem rotatorischen Freiheitsgrad ab, der durch die Ausführung der Wicklung bestimmt wird. Es sind unterschiedliche Wicklungsarten bekannt, beispielsweise kreis/rechteck-/solenoid-förmige Wicklungen.
An einer solchen Stange sollen möglichst mehrere Sensoren und/oder Aktoren frei positionier- und drehbar angeordnet werden. Dabei müssen die Sensoren und Aktoren mit elektrischer Energie versorgt werden. Darüber hinaus muss ein Datentransfer stattfinden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu vermitteln, welche es gestattet, Sensoren und Aktoren an einem Befestigungselement, insbesondere an einer gennannten Stange frei zu positionieren, wobei eine Energieversorgung mit elektrischer Energie auf induktivem Wege, also nicht leitungsgebunden erfolgen soll.
Offenbarung der Erfindung
Mit einer Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ist es möglich, an einem Träger ein oder mehrere sekundärseitige Abnehmer frei zu positionieren. Die induktive Übertragung von elektrischer Energie erfolgt dabei sehr vorteilhaft durch wenigstens eine mäanderförmige Wicklung auf der Primärseite und wenigstens eine mäanderförmige Wicklung auf der Sekundärseite.
Dabei sieht ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung vor, dass auf der Sekundärseite eine Mehrzahl von mäanderförmigen Wicklungen versetzt zueinander und sich gegenseitig überlagernd angeordnet sind. Hierdurch können mehrere sekundärseitige Abnehmer auf dem Befestigungselement positioniert und gleichzeitig mit Energie versorgt werden.
Dabei ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass jeder mäanderförmigen Wicklung eine Kompensations- und Gleichrichterschaltung zugeordnet ist. Auf diese Weise wird der Nachteil einer Energieübertragung eines Punkt-zu-Punkt-Systems vermieden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass alle Kompensations- und Gleichrichterschaltungen einem einzigen Zwischenkreis zugeordnet sind.
Je nach der rotatorischen Position des Abnehmers werden die Wicklungen unterschiedlich vom magnetischen Feld durchsetzt. Aufgrund des geometrischen Aufbaus wird dabei immer eine Wicklung die höchste induzierte Spannung beziehungsweise die größte magnetische Kopplung zur Primärseite aufweisen. Da alle Kompensations- und Gleichrichterschaltungen einem einzigen Zwischenkreis zugeordnet sind, wird dieser Zwischenkreis dann von dieser Wicklung gespeist, wodurch eine annähernd konstante Energieübertragung stattfinden kann. Diese mäanderförmigen Wicklungen und die zugeordneten Kompensations- und Gleichrichterschaltungen bilden jeweils Abnehmer. Dabei können eine Mehrzahl von Abnehmern eingesetzt werden. Je mehr Abnehmer eingesetzt werden, desto konstanter ist die Energieübertragung, allerdings steigt dabei auch der Bauteileaufwand. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht drei Abnehmer mit einem 120° Versatz vor. Rein prinzipiell ist es auch möglich, Schwankungen mit an sich bekannten Schaltungen auszugleichen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt primärseitige und sekundärseitige Wicklungen zur Energieübertragung auf positionierbare Abnehmer.
2 zeigt schematisch die Wicklung der Sekundärseite, dreifach ausgeführt und überlagert.
3 zeigt eine Schaltung mit einem Abnehmer, der drei Wicklungen aufweist.
4 zeigt den Koppelfaktor über einem Pol für jede der in 3 dargestellten drei sekundärseitigen Wicklungen
und 5 zeigt die Spannung über einem Pol mit einem in 4 dargestellten Koppelfaktor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist schematisch die induktive Energieübertragung auf positionierbare Abnehmer dargestellt.
Von einer primärseitigen mäanderförmigen Wicklung 100 wird induktiv Energie auf eine sekundärseitige mäanderförmige Wicklung 120 übertragen. Die mäanderförmigen Wicklungen sind sowohl im Hinblick auf die primärseitige Wicklung als auch im Hinblick auf die sekundärseitige Wicklung auf einem flexiblen Träger angeordnet. In 1 sind beispielhaft mäanderförmige Wicklungssysteme mit der Windungszahl 1 dargestellt. Dabei entspricht die Strecke von links nach rechts der Länge einer zylinderförmigen Stange und die Strecke von oben nach unten der Länge der Mantelfläche des Zylinders. Die sekundärseitige Wicklung 120 kann über die Stablänge, also in 1 von links nach rechts beziehungsweise rechts nach links verschoben werden. In jeder Position in Längsrichtung besteht dann eine ausreichende Kopplung zwischen Primärwicklung 100 und Sekundärwicklung 120. Die Kopplung bleibt mit einer Wicklung dagegen bei einer Drehung (in 1 von oben nach unten) nicht konstant. Aus diesem Grunde muss die sekundärseitige Wicklung mehrfach ausgeführt werden. In der folgenden Beschreibung wird eine Anordnung mit drei sekundärseitigen Wicklungen beschrieben. Die Anzahl der verwendeten Wicklungen ist jedoch nicht auf drei beschränkt, sondern kann rein prinzipiell jede beliebige Zahl annehmen.
Eine sekundärseitige Wicklung in dreifacher Ausführung ist in 2 dargestellt. Wie es in 2 links dargestellt ist, sind drei Wicklungen 210, 220, 230 vorgesehen, die geringfügig versetzt zueinander angeordnet sind. Diese Wicklungen werden beispielsweise durch eine Stickmaschine auf wenigstens einen flexiblen Träger aufgebracht. Hierbei wird für jede der Wicklungen 210, 220, 230 jeweils eine Hochfrequenzlitze aufgestickt.
Die mäanderförmigen Wicklungen 210, 220, 230 sind so ausgeführt, dass Kreuzungen 211, 221, 231 immer innerhalb von geraden Verläufen der Litze liegen. Der Stickvorgang wird dabei so gewählt, dass eine handelsübliche Stickmaschine diese Bereiche beim Stickvorgang auslässt. Die Litze bleibt ortsfest ohne zusätzliche Einstiche, die im Bereich der Kreuzung liegen. Das minimiert die Gefahr von Beschädigungen der Litzen beim Stickvorgang.
Durch solche Beschädigungen der Litzen, beispielsweise Unterbrechungen, nimmt die Spulengüte derartiger Wicklungen ab, was vermieden werden muss.
Nach entsprechendem Falten des wenigstens einen flexiblen Trägers liegen die Wicklungen versetzt zueinander und überlagern sich gegenseitig, wie es auf der rechten Seite der 2 dargestellt ist.
Dabei ist zu bemerken, dass diese Wicklungen bei Verwendung einer zylinderförmigen Stange als Befestigungselement in Umfangsrichtung der zylinderförmigen Stange angeordnet sind.
Die in der 2 dargestellten sekundärseitigen Wicklungen in dreifacher Ausführung, die sich gegenseitig überlagern, ermöglichen den rotatorischen Freiheitsgrad. Mit drei Wicklungen, wie in 2 dargestellt, wird eine Rotation um 360 Grad erreicht. Das bedeutet, dass sekundärseitige Abnehmer auf dem nicht dargestellten zylinderförmigen Stab an einer beliebigen Stelle angeordnet sein können.
In 3 ist eine Schaltung dargestellt, welche die induktive Energieübertragung mit einem derartigen Wicklungsschema ermöglicht. Die Schaltung stellt im Wesentlichen einen autoresonanten Royer-Converter mit seriell kompensierten Sekundärseiten dar.
Einer primärseitigen Induktivität 305 stehen drei sekundärseitige Induktivitäten 310, 320, 330 gegenüber, welche die Wicklungen 210, 220, 230 (2) repräsentieren. Sekundärseitig wird jeder Wicklung 210 bzw. 310, 220 bzw. 320, 230 bzw. 330 eine Kompensations- und Gleichrichterschaltung zugeordnet 311, 321, 331. Je nach der rotatorischen Position des Abnehmers werden die Wicklungen unterschiedlich vom magnetischen Feld durchsetzt. Aufgrund des geometrischen Aufbaus wird dabei immer in einer Wicklung die höchste induzierte Spannung auftreten bzw. eine Wicklung die größte magnetische Kopplung zur Primärseite aufweisen. Ein Zwischenkreis 350 wird dann von dieser Wicklung gespeist, wodurch eine konstante Energieübertragung stattfinden kann.
Das vorbeschriebene Wicklungsschema und die Schaltung werden vorliegend anhand eines Befestigungselements in Form einer zylinderförmigen Stange erläutert.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf eine Stange beschränkt ist, sondern dass das Konzept rein prinzipiell auch in der Fläche denkbar ist.
Auch ist die Anzahl der Wicklungen nicht auf drei beschränkt, sondern es können auch nur zwei oder mehr als drei, nämlich n Wicklungen möglich sein.
Zu bemerken ist auch, dass der Mäander in 1 auch um 90 Grad gedreht werden kann, ohne dass Funktionseinbußen zu verzeichnen sind. Das bedeutet, dass die in 1. dargestellte Wicklung 100 nicht nur längs zur Mantelfläche der Stange gewickelt werden kann, sondern auch quer zur Mantelfläche gewickelt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht Hin- und Rückführungen vor, die im Falle einer zylinderförmigen Mantelfläche über einer Länge von beispielsweise 70 cm angeordnet sind. Dabei sind beispielsweise 70/Litzenabstand Hin- und Rückführungen möglich. Bei einem Litzenabstand von beispielsweise 5 cm werden so 14 Hin- und Rückführungen quer zur Mantelfläche angeordnet. In diesem Falle muss die Sekundärseite ebenfalls um 90° gedreht ausgeführt sein.
4 zeigt schematisch den Koppelfaktor über einem Pol, das heißt dem Teil einer Drehung, bei dem sich das Muster, für jede der drei sekundärseitigen Wicklungen 210 beziehungsweise 310, 220 beziehungsweise 320, 230 beziehungsweise 330 wiederholt. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei einer rotatorischen Drehung für jede Wicklung Maxima und Minima abhängig von der Überdeckung (siehe 1) existieren. Werden die Wicklungen kombiniert, ergibt sich als Beispiel ein minimaler Koppelfaktor von 70 Prozent des Nennkoppelfaktors. Dieser Wert wird bei der Auslegung des Systems berücksichtigt. Die Systemauslegung ist an sich bekannt.
Sie geht beispielsweise aus der Veröffentlichung David Maier, Jörg Heinrich, Marco Zimmer, Marcel Maier, Nejila Parspour Contribution to the System Design of Contactless Energy Transfer Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 55, No. 1, January/February 2019 (https://ieeexplore.ieee.org/document/8440726) hervor.
In 5 ist die Ausgangsspannung über einem Pol dargestellt. Es sind dabei jeweils die Ausgangsspannungen der drei Wicklungen dargestellt, wobei die Ausgangsspannung 501 der Wicklung (Induktivität) 210 beziehungsweise 310, die Ausgangsspannung 502 der Wicklung 220 beziehungsweise 320 und die Ausgangsspannung 503 der Wicklung 230 beziehungsweise 330 entsprechen. 510 zeigt die kombinierte Ausgangsspannung bei Verwendung der in 3 dargestellten Schaltung. Die Spannungshöhe ist abhängig von den Windungszahlen beziehungsweise der Auslegung der Spulen, welche die Induktivitäten auf der Primär- und Sekundärseite bilden. Sie ist im Grunde abhängig von diesen Größen variierbar.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, dass eine zuverlässige Energieversorgung auf induktivem Wege von auf einer Stange angeordneten sekundärseitigen Abnehmern möglich ist bei gleichzeitig beliebiger Verschiebbarkeit auf der Stange und bei beliebiger rotatorischer Freiheit der Anordnung der Abnehmer.
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 202009009689 U1 [0003]
DE 102015005871 A1 [0003]
DE 102018109267 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

David Maier, Jörg Heinrich, Marco Zimmer, Marcel Maier, Nejila Parspour Contribution to the System Design of Contactless Energy Transfer Systems, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 55, No. 1, January/February 2019 [0030]

Claims

Vorrichtung zur induktiven Übertragung von elektrischer Energie und/oder von Daten von einem primärseitigen Träger auf wenigstens einen auf dem Träger positionierbaren sekundärseitigen Abnehmer, gekennzeichnet durch eine mäanderförmige Wicklung (100, 305) auf der Primärseite und wenigstens eine mäanderförmige Wicklung (120, 210, 220, 230, 310, 320, 330) auf der Sekundärseite.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sekundärseite eine Mehrzahl von mäanderförmigen Wicklungen (210, 220, 230, 310, 320, 330) versetzt zueinander und sich gegenseitig überlagernd angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder mäanderförmigen Wicklung (210, 220, 230, 310, 320, 330) eine Kompensations- und Gleichrichterschaltung (311, 321, 331) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kompensations- und Gleichrichterschaltungen (311, 321, 331) einem einzigen Zwischenkreis (350) zugeordnet sind.